Tran
мпшп
в горю
ПОД ОБЩЕЙ РЕДАКЦИЕЙ ПРОФ. П. И. ПОЛУХИНА
Допущено
Мин истерством
высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника
для студентов
строительных специальностей вузов
Москва «Высшая школа» 1977
6 ГН
Т38Ч
УДК 621.7(075.8)
П. И. Полухин, Б. Г. Гринберг, В. Т. Жадан, С. К. Кан-
теник, Д. И. Васильев
Рецензент — кафедра «Технология металлов»
Московского автомобильно-дорожного института
Научный редактор А. К- Натансон
Технология металлов и сварка. Учебник для ву-
Т38 зов. Под ред. П. И. Полухина. М-, «Высш, школа»,
1977.
464 С. С ИЛ.
На обороте тит. л. авт.: П. И. По л у х н н, Б. Г. Грин-
берг, В. Т. Ж а д а н [и др.].
В учебнике изложены основы производства черных и цветных металлов,
литейного производства, обработки металлов давлением, сварочного про-
изводства; рассмотрены важнейшие вопросы ыеталловедсвия и термической
обработки, а также обработки металлов резанном.
По содержанию и научному уровню учебник отвечает требованиям
программы соответствующего курса, утвержденной Учебно-методическим
управлением Министерства высшего и среднего специального образова-
ния СССР.
Предназначается для студентов строительных специальностей техни-
ческих вузов и может использоваться в квчестве учебного пособия для
студентов-заочники в немащнностроительнкх специальностей-
„ 31101—057
Т ------------ 87—77
001(01)—77
6ПЗ
© Издательство «Высшая школа», 1977 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий учебник написан по программе курса «Технология
металлов и сварка» для студентов строительных специальностей выс-
ших учебных заведений.
Изучение технологии металлов способствует успешному усвоению
специальных дисциплин, формирующих технический кругозор инже-
нера-строителя.
Ознакомление со способами получения черных и цветных металлов
и сплавов, знание их основных свойств и методов обработки необходи-
мы для правильного выбора и использования металлических материа-
лов в строительстве. Инженер любой строительной специальности дол-
жен знать, как вли яют на свойства металлов режимы термической и дру-
гих обработок и что можно сделать для изменения свойств металлов в
нужном направлении.
Получая необходимые знания по технологии металлов, студенты
строительных специальностей должны более подробно изучать те стро-
ительные материалы, которые непосредственно связаны с их дальней-
шей практической деятельностью. Поэтому в разделе «Металловедение
и термическая обработка» содержатся сведения о строительных сталях,
их свойствах и областях применения; в разделе «Обработка метал-
лов давлением» полнее изложена технология прокатки строительных
профилей (арматурной стали, тонкостенных балок, швеллеров, шпун-
товых свай, полосовой стали и труб), а также экономичных профилей
проката переменного и постоянного сечения; в разделе «Сварка и ог-
невая резка металлов» подробно описана технология сварки строитель-
ных конструкций.
В разделе «Обработка металлов резанием» не рассмотрена слесар-
ная обработка металлов, так как с основными ее операциями и приме-
няемым инструментом студенты очного обучения подробно знакомятся
на производственной практике, а студенты заочного обучения — во
время работы на предприятиях.
Учебник составлен коллективом авторов под общей редакцией
докт, техн, наук, проф. П. И. Полухина. Разделы первый, второй и
пятый написал проф. Б. Г. Гринберг; третий — проф. С. К. Кантеник;
четвертый — докт. техн, наук, проф. 11. И. Полухин и проф. Д. И. Ва-
сильев (глава «Ковка и штамповка металлов»); введение и шестой раз-
дел — проф. В. Т. Жадан; доц. канд. техн, наук В. С Ермаков
принимал участие в написании § 5 «Термомеханическая обработка
стали» главы XI.
Все замечания и пожелания, направленные иа улучшение учебника,
следует посылать в издательство «Высшая школа» по адресу: Москва,
К-51, Неглинная ул., д. 29/14.
Авторы
3
ВВЕДЕНИЕ
Металлы — наиболее распространенные и широко используемые
материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значе-
ние металлов в наше время, когда большое их количество используют
в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышлен-
ном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях
народного хозяйства.
Производство и обработка металлов возникли очень давно и достиг-
ли современного технического уровня развития в результате исполь-
зования практического опыта и достижений науки многих поколений
человеческого общества.
Сначала человек использовал для различных целей самородные
металлы — золото, серебро, медь. Затем он научился получать ме-
таллы и сплавлять их друг с другом. Получение бронзы (прочного и
твердого сплава меди с оловом, а позднее и с некоторыми другими эле-
ментами) открыло новую эпоху в развитии материальной культуры,
называемую бронзовым веком. Позже была освоена выплавка железа.
Первыми плавильными агрегатами для получения железа из руд
были неглубокие земляные ямы (горны), в которые загружали измель-
ченную железную руду и древесный уголь. При горении древесного
угля руда превращалась в сыродутное железо. Его извлекали из горна
в виде комков (железных криц) и подвергали ковке. К ХШ—XIV вв.
нашей эры сыродутные горны заменили круглыми шахтными печами—
домницами. В них развивались более высокие температуры, чем в сыро-
дутных горнах, и происходило насыщение железа углеродом. В ре-
зультате в нижней части домницы получался жидкий металл — чугун.
Из чугуна изготовляли простые отливки (плиты, шары и т. и.). Эти
отливки обладали достаточной прочностью, но были хрупкими и не
поддавались ковке.
Постепенно форму домницы изменяли, а ее размеры увеличивали.
Ее стали называть доменной печью, являющейся до сих пор основным
агрегатом для производства чугуна.
Современные доменные печи — это крупные высокомеханизиро-
ванные и автоматизированные агрегаты большой единичной мощности.
В нашей стране на Криворожском металлургическом заводе
им. В. И. Ленина в 1974 г. введена в строй самая мощная в мире домен-
ная печь объемом 5000 м3; она обеспечивает выпуск около 4 млн. т
чугуна в год.
4
Примерно в середине XIV в. научились перерабатывать хрупкий
чугун в очень прочный и ковкий металл — сталь, выжигая углерод из
жидкого чугуна в так называемых кричных горнах.
Позднее кричный процесс сменили более совершенные способы пере-
дела чугуна в сталь —- пудлинговый, бессемеровский, томасовский и
мартеновский. Последние три способа, а также электроплавка находят
широкое применение в современном сталеплавильном производстве.
При этом основным направлением научно-технического прогресса в
сталеплавильном производстве является кислородно-конверторный
способ производства стали. В 1974 г. на Ново-Липецком металлурги-
ческом заводе введен в строй кислородно-конверторный блок, который
обеспечивает выпуск 4 млн. т стали в год.
Применение кокса (первая половина XVIII в) и использование го-
рячего дутья (начало XIX в.) в доменных печах создали огромные воз-
можности для дальнейшего расширения выплавки чугуна и связанного
с ним производства стали.
-Существенную роль в развитии отечественной металлургии чугуна
и стали сыграли работы М. В. Ломоносова, М. А. Павлова, А. А. Байко-
ва, И. П. Бардина и многих других.
Наши соотечественники П. П. Аносов и Д. К. Чернов в XIX в.
заложили основы металлографии — науки о строении металлов и
сплавов.
В настоящее время металлография и смежные с ней науки содержат
глубокие знания о строении металлов и сплавов и природе внутренних
связей в них. На основе этих данных разработаны методы термической
(тепловой) обработки металлов и сплавов, изменяющей их механиче-
ские и физические свойства в нужном направлении.
Одновременно с развитием и усовершенствованием методов получения
черных и цветных металлов развивалась и совершенствовалась техно-
логия их обработки. К основным технологическим способам обработки
металлов относят литейное производство, обработку давлением (прокат-
ку, волочение,прессование, ковку, штамповку), сварку и огневую резку,
термическую обработку, обработку резанием (механическая обработка)
и различные виды электрофизических и электрохимических способов
размерной обработки металлов.
Производство литых металлических изделий было известно в глу-
бокой древности, но более широко стало развиваться после XIV в.,
когда научились получать в земляных формах отливки из жидкого
чугуна, выплавляемого в доменных печах.
В конце XVIII в. была предложена опрокидывающаяся шахтная
печь, явившаяся прототипом вагранки, а несколько позже — и ва-
гранка для переплавки чугуна; это расширило возможности литейно-
го производства.
Для удовлетворения непрерывно возрастающих потребностей ма-
шиностроительной промышленности в практику литейного производ-
ства постепенно вводили новые способы литья, а также формовочные
машины, механизировали и совершенствовали технологические про-
цессы получения отливок из чугуна, стали и цветных металлов.
5
Наиболее ранними способами обработки металлов давлением явля-
лись ковка и волочение. Все технологические операции выполняли
вручную. Значительное развитие эти способы обработки получили со
времени постройки железоделательных заводов в XVI—JCVII вв.
Большим шагом вперед в развитии кузнечного производства было при-
менение в XIX в. паровых, пневматических, фрикционных молотов и
прессов.
Прокатка металлов возникла позже ковки и волочения. Первые
сведения о прокатке относятся к XV в. (обработка свинцовых полос).
Первые прокатные станы имели ручной, а затем водяной привод. В 40-х
годах XIX в. на заводах появились прокатные станы с механическим
приводом.
С увеличением мощности прокатного оборудования стали появлять-
ся специальные станы для прокатки листов.рельсов, сортового металла.
В конце XIX в. начали применять крупные станы для обжатия слитков
(так называемые блюминги и слябинги). Современные прокатные ста-
ны представляют собой мощные агрегаты с высокой степенью механи-
зации и автоматизации.
Прессование цветных металлов возникло в последней четверти
XIX в., стали и тугоплавких сплавов — только в 30-х годах XX в.
Сварка металлов является одним из прогрессивных процессов ме-
таллообработки в промышленности и строительстве. Существует не-
сколько способов сварки; из них наиболее распространенным является
электросварка. В настоящее время способы сварки металлов и сплавов
в значительной степени усовершенствованы и автоматизированы.
Среди способов обработки металлов и сплавов важное место зани-
мают различные виды термической обработки — отжиг, нормализа-
ция, закалка, отпуск и др. Нагревом металлов или сплавов до опре-
деленной температуры, выдержкой и последующим охлаждением с
различной скоростью получают необходимые изменения их структуры
и свойств.
Обработка металлов резанием была известна в глубокой древности
и осуществлялась сначала вручную, а затем с помощью приспособле-
ний, значительно усиливающих действие режущего инструмента. То-
карные и сверлильные станки с вращательным движением от водяного
колеса появились лишь в XIV—XVI ев. В начале XVIII в. был скон-
струирован и применен в токарном станке суппорт, перемещающийся
вдоль обрабатываемой детали при помощи зубчатого колеса и рейки.
Позже для продольного перемещения суппорта был использован ходо-
вой винт. К середине XIX в. были изобретены все основные виды ме-
таллорежущих станков.
В настоящее время советской станкостроительной промышленно-
стью освоены и серийно выпускаются высокопроизводительные метал-
лорежущие станки — автоматы и полуавтоматы, а также автомати-
ческие линии, работающие по заданной программе.
Увеличение производства металлов было и остается одной из
важнейших народнохозяйственных задач Советского Союза, так как
потребность в них еще далеко не удовлетворяется. В соответствии с
планами развития народного хозяйства у нас изготовляют огромные
б
количества металлорежущих станков, автомобилей, тракторов, ком-
байнов, вагонов, тепловозов, электровозов, кораблей; строят много-
численные промышленные и гражданские здания, новые жилые дома,
железнодорожные и автодорожные мосты; прокладывают тысячи ки-
лометров водо-, газо- и нефтепроводов, железнодорожных и автомо-
бильных дорог и т. д. Все это требует значительного количества ме-
талла.
В 1975 г. народное хозяйство страны получило 103 млн. т чугуна,
141 млн. т стали, 98,6 млн. т готового проката и 16,0 млн. т стальных
труб, большое количество меди, алюминия, титана и других цветных
металлов и их сплавов. К концу десятой пятилетки в 1980 г. про-
изводство стали составит 160—170 млн. т, проката 115—120 млн. т.
В Программе Коммунистической партии Советского Союза постав-
лена величественная задача— создание материально-технической базы
коммунизма в нашей стране. Это означает прежде всего полную элект-
рификацию и химизацию народного хозяйства, комплексную механи-
зацию и автоматизацию производственных процессов, всемерное рас-
ширение использования новых видов энергии и материалов и совер-
шенствование на этой основе техники, технологии и организации про-
изводства во всех отраслях народного хозяйства.
Для выполнения этой исторической задачи необходимо дальнейшее
интенсивное развитие всех отраслей народного хозяйства, в том числе
металлургии, машиностроения и металлообработки, а также строи-
тельной индустрии.
Раздел первый
ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И НЕКОТОРЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Глава I
ТОПЛИВО И ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ПРИМЕНЯЕМЫЕ
В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
§ 1. Топливо
Черная и цветная металлургия — ведущие отрасли промышленнос-
ти, определяющие развитие всего народного хозяйства. В настоящее
время металл из руд извлекают одним из трех способов; пирометаллур-
гическим (огневым), гидрометаллургическим (выщелачиванием метал-
ла из руд), и химикометаллургическим. Большинство металлов вып-
лавляют из руд в различных металлургических агрегатах, в условиях
высоких температур. Пирометаллургический способ получил наиболь-
шее применение при производстве чугуна, меди и других металлов.
Он требует значительного количества тепла, получаемого путем сжига-
ния топлива или превращением электрической энергии в тепловую.
В металлургическом производстве широко применяют топливо ор-
ганического происхождения. Горючие компоненты топлива — углерод,
водород и различные их соединения (углеводороды). В небольшом ко-
личестве в топливе имеются кислород и сера. В процессе плавки сера
может частично переходить в металл, что, как правило, ухудшает его
свойства. Количество минеральных примесей (золы) в топливе должно
быть минимальным, так как они уменьшают теплоту сгорания топлива.
В металлургическом производстве применяют твердое, жидкое и
газообразное топливо.
К твердому топливу относятся дрова, древесный уголь, торф,
сланцы, бурый уголь, каменный уголь (в том числе антрацит), каменно-
угольный кокс.
Воздушно-сухие дрова имеют теплоту сгорания 10,5—12,6 МДж/кг,
торф 6,3—16,8 МДж/кг.
Древесный уголь обладает очень высокой пористостью (до 70%),
содержит 80—90% твердого (нелетучего) углерода и хорошо горит
(теплота сгорания равна 27,2—31,4 МДж/кг), но имеет малое сопротив-
ление раздавливанию 2—4 МН/мг. Так как это дорогое топливо, его
применяют в доменных печах небольшого объема при выплавке высоко-
качественного чугуна с низким содержанием серы.
8
Теплота сгорания бурых углей 12,6—20,9 МДж/кг, каменных углей
18,9—35, 6 МДж/кг.
Каменноугольный кокс образуется в процессе нагрева (сухой пере-
гонки) некоторых сортов каменного угля в коксовых печах до 1000—
1100° С. Обычно кокс содержит 82—88% твердого (нелетучего) углеро-
да, 10—15% золы, 0,5—1,8% серы. Химический состав кокса зависит от
природы каменных углей. Кокс имеет достаточную пористость (до
50 %) и хорошую горючесть, теплота сгорания равна 27,2—31,4 МДж/кг.
Он значительно прочнее древесного угля, сопротивление раздавливанию
достигает 14 МН/м2. Кокс является основным топливом для доменных
печей и печей для плавления чугуна (вагранок). В качестве жидкого
топлива для мартеновских и нагревательных печей используют мазут.
Он образуется из сырой нефти после отгонки легких (светлых) фракций
(бензина, керосина и др.). Примерный состав мазута 87% С, 12%—Н2,
1% — (О2	N2), теплота его сгорания около 42 МДж/кг. Для марте-
новских печей применяют мазут с содержанием серы менее 0,4—0,7%.
Коксовальный газ, получаемый при производстве кокса, имеет теп-
лоту сгорания примерно 18,8 МДж/м3. Он содержит около 46—63%
Н,, 21—27% СН4, 2—7% СО и 4—18% N3.
Генераторный газ получают в газогенераторах при неполном сжига-
нии твердого топлива. Он содержит 5—8% СО2, до 30% СО, 2—3%
СН4, 10—15% Н, (остальное азот и вода в виде пара). Теплотасгорапия
газа 5,4—6,7 МДж/м3.
Доменный газ получается при выплавке чугуна в доменных печах.
После очистки от пыли этот газ применяют в качестве топлива для кот-
лов, коксовых батарей, воздухонагревателей доменных печей, а в сме-
си с коксовым газом — для мартеновских печей, нагревательных ко-
лодцев и печей прокатных станов. Примерный состав газа: 12% СО2,
28% СО, 0,5% СН4, 2,5% Н2, 57% N2. Теплота сгорания газа 3,6—4,2
МДж/м3.
Природный газ — очень дешевое топливо с теплотой сгорания око-
ло 33,5 МДж/м3. Примерный состав газа: 93% СН4, 2% СО2, 1% N2,
1% Н2 и 3% СН2п. В последние годы металлургические заводы широко
применяют природный газ.
§ 2. Огнеупорные материалы
К огнеупорным материалам, применяемым для металлургических
печей, предъявляют различные требования. Эти материалы должны
выдерживать высокую температуру, обладать достаточной механичес-
кой прочностью, сопротивляться химическому воздействию газов,
жидких шлаков и металлов, обладать минимальным расширением и
иметь определенную пористость. Огнеупорные материалы применяют
в виде порошка, кирпичей и фасонных изделий (пробок, стаканов,
втулок и т. п.).
По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на
кислые, основные и нейтральные.
К кислым огнеупорным материалам относят кварцит и кварцевый
песок, содержащие 93—100% SiO2. Из молотого кварцита (93—97%
9
SiOj изготовляют динасовые кирпичи для выкладки стенок, подины и
сводов мартеновских, электрических и некоторых других печей. Тем-
пература начала размягчения динасовых кирпичей 1550° С, плавления
— 1690—1730° С. Для наварки и обновления кислой подины марте-
новских печей используют молотый кварцит и кварцевый белый песок.
К основным огнеупорным материалам относят обожженный доломит
и обожженный или плавленый магнезит. При нагреве сырого доломита
до высоких температур (1600° С) образуется обожженный доломит,
содержащий 52—58% СаО и 35—38% MgO. Он выдерживает нагрев
до 1800—1950° С.
Обожженный магнезит получают также путем высокотемператур-
ной обработки сырого магнезита MgCO3.
Температура плавления обожженного магнезита около 2000° С.
Повышенными огнеупорными свойствами обладает также плавленый
магнезит, получаемый из сырого путем обжига при температуре выше
2000° С.
Доломитовые и магнезитовые кирпичи широко применяют для фу-
теровки плавильных и нагревательных печей. Основные подины мар-
теновских печей наваривают и обновляют магнезитовым и доломито-
вым порошками.
Большой термостойкостью обладают хромомагнезитовые огнеупор-
ные кирпичи (65—70% MgO и 25—29% FeO-CrO3), используемые
главным образом для изготовления подвесных сводов мартеновских
печей.
К нейтральным огнеупорным материалам относят обожженную
огнеупорную глину, содержащую около 30% А12О3. При обжиге сырой
глины каолинит А1аО3 и кремнезем 2SiO2>2H2O теряют связанную
влагу; глинозем А1гО3 и кремнезем SiO2 переходят в состав обож-
женной массы, называемой шамотом.
Шамот выдерживает температуру до 1610—1670° С. Из молотого
шамота (50—60%) и сырой огнеупорной глины (50—40%) приготовля-
ют достаточно вязкую смесь для формовки шамотных огнеупорных
изделий (кирпичей, стаканов, пробок и т. п.). Просушенные шамотные
изделия обжигают при 1300—1400° С.
Шамотными кирпичами, содержащими 55—60% SiO2, 34—38%
А1,О3, 1—5% Fe2O3, футеруют ковши для жидкого металла, воздухо-
нагреватели доменных печей и т. д. Из шамота изготовляют так назы-
ваемый огнеупорный припас, используемый при разливке стали,
тигли и некоторые другие изделия.
В последнее время начали применять высокоглиноземистые ша-
мотные огнеупоры (40% А12О3), обладающие повышенной химической
стойкостью и огнеупорностью.
Интенсификация доменного, сталеплавильного и других металлур-
гических процессов существенно зависит от стойкости огнеупорной
футеровки металлургических агрегатов. В настоящее время организо-
вано производство огнеупорных изделий, отличающихся особо высокой
стойкостью; к ним относятся смолодоломитовые, смолодоломитомагне-
зитовые, высокоглиноземистые, карбидокремниевые, фостеритовые,
магнезитохромовые и другие огнеупоры.
10
Глава П
ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА
Выплавка чугуна в доменных печах характеризуется сложным ком-
плексом трудоемких подготовительных производственных процессов.
Соответствующая технологическая схема представлена на рис. 1.
Для производства обычного доменного чугуна используют шихту,
состоящую из железных и марганцевых руд, флюсов, флюсованного
Рис. 1. Схема доменного производства:
/ — обогатительная фабрика; 2 — агломерационная фабрика; 3 — коксохимический завод; 4 —
отделение подготовки кокса; 5 — рудный двор; б — вагонооирскидыватель; 7 —рудный пере-
гружатель; В — бункерная эстакада; 9—скиповый подъемник; 10 — машинное здание; Я —
Доменная печь; /2 — литейный двор; 13 — воздуходувная станция; 14—воздухонагреватели;
Л»— Цех огнеупоров; /б—желоб Для чугуна; /7 — чугуновозный ковш; Zfi' — сталеплавильный
цех; 79 — разливочное отделение; 20—разливочная машина; 21 — платформа для чугуна;
— склад холодного чугуна; 23 — желоба Для шлака; 24 — шлаковозный ковш; 25 —гран у-
ляцнонный бассейн; 26 — шлаковый отвал; 27 и 2S— пылеуловители грубой очистки газа
агломерата, окатышей и топлива. От качества подготовки сырых мате-
риалов — дробления, сортировки, обогащения, окускования — зави-
сит в конечном счете качество выплавленного чугуна. По объему про-
изводства товарных руд черных металлов и флюсовых материалов СССР
занимает первое место в мире. В 1974 г. произведено 225 млн. т
товарной железной руды. В 1975 г. в нашей стране произведено до
233 млн. т (более 80% добывают открытым способом), а в первом по-
। лугодии 1976 г, — 117 млн. т.
I
§ 1.	Железные и марганцевые руды
Железные руды состоят из рудного минерала, пустой породы
и примесей. Рудным минералом называют природные химические сое-
динения железа (чаще всего окисли). В доменных печах железо прак-
тически полностью (98—99%) переходит в состав чугуна.
Пустая порода (балластные соединения, не содержащие железа)
может иметь различный химический состав. Обычно она состоит из
кварцита SiO3 или песчаника с примесью глинистых веществ (А12О3,
кремнезем 2SiO2- 2HSO) и реже — из известняка СаСО3 или доломита
(СаСО3-МеСО3). В доменной печи пустая порода плавится и переходит
в состав шлака.
В зависимости от количества пустой породы железные руды разде-
ляют на богатые, содержащие 45—70% железа, л бедные. Богатые ру-
ды после дробления и сортировки направляют в плавку, а бедные под-
вергают обогащению, в результате которого увеличивается относи-
тельное количество окислов железа.
В железных рудах всегда содержится некоторое количество вред-
ных примесей — серы, мышьяка и фосфора. В первую очередь разра-
батывают месторождения, железная руда которых содержит незначи-
тельное количество вредных примесей и незначительное количество
пустой породы.
Для выплавки чугуна применяют красный, бурый, магнитный и
шпатовый железняки, а также комплексные железные руды.
Красный железняк (гематит) содержит 55—70% железа в виде
безводной окиси железа FesO3 . Примесей серы и фосфора в нем мало.
Пустой породой железняка обычно является кварцит. Плотность и
прочность красного железняка весьма различны. Восстановимость его
в доменных печах хорошая. Наиболее крупные залежи красного желез-
няка находятся в районе Кривого Рога. Встречаются эти руды также
на Урале и в Сибири.
Бурый железняк содержит 35—55% железа в виде водных окислов
и чаще всего в виде лимонита. В некоторых видах бурого железняка
содержится много фосфора. Пустая порода имеет песчано-глинистое
происхождение. Находящаяся в буром железняке гидратная влага при
высоких температурах удаляется, руда становится пористой и хорошо
восстановимой. При добывании, перевозках и перегрузках этой руды
образуется много мелочи и пыли. Крупные залежи бурого железняка
находятся па Керченском полуострове (фосфористые руды), в цент-
ральных районах СССР (Липецкое и Тульское месторождения), на
Южном Урале (Бакальское месторождение) и в некоторых районах
Сибири.
Магнитный железняк (магнетит) содержит 50—69% железа (в
чистом виде 72,4%) в форме закиси-окиси железа Fe3O4. Пустую
породу составляет кремнезем с некоторым количеством других окислов.
Этот железняк — наиболее плотная железная руда темно-серого или
черного цвета. В некоторых случаях магнитный железняк содержит
много серы (до 1,5—2%) и загрязнен цинком. Восстанавливается маг-
нитный железняк труднее, чем остальные железные руды.
12
Крупные залежи магнитного железняка находятся на Урале (горы
Магнитная, Высокая, Благодать), в Западной Сибири (Тельбесское,
Кондомское и другие месторождения) и в районе Курской магнитной
аномалии (в основном железистые кварциты, содержащие 35% Fe).
Открыты также новые месторождения.
Шпатовый железняк (сидерит) содержит 30—40 % железа в виде
углекислой соли FeCO3. В чистом сидерите 48,2 % Fe. Пустая порода си-
дерита состоит из кремнезема, глинозема и небольшого количества
окиси магния. В некоторых случаях сидерит имеет песчано-глинистую
пустую породу. Сидерит может быть желтовато-белого или серого
цвета. Он легко выветривается (окисляется на воздухе) и, теряя
СО,, превращается в бурый железняк. Сидерит обладает наиболее вы-
сокой восстановимостью из всех железных руд. Перед загрузкой в до-
менную печь сидерит обычно обжигают. В результате руда становится
очень пористой и легко дробится, образуя лишь небольшие количества
мелочи и пыли. В некоторых случаях в доменную печь загружают не-
обожженный сидерит. Промышленные запасы сидерита имеются на
юге Урала (Бакальское месторождение).
Комплексные железные руды, кроме железа, содержат и другие
металлы, которые во время плавки переходят в чугун и легируют его,
т. е. улучшают многие его свойства. К более ценным комплексным же-
лезным рудам относятся следующие:
хромоникелевая железная руда Орско-Халилове кого месторожде-
ния, представляющая собой бурый железняк (35—40% Fe) с примесью
хрома (0,8—1,6%) и никеля (0,4—0,7%);
ванадистые титаномагнетиты Кусинского и Первоуральского место-
рождений. Руды их состоят из смеси магнетита Fe2O3, ильменита FeOx
ХТЮ2 и трехокиси ванадия V2O3 и содержат 38—47% Fe, 5—15%
TiO2, 0,3-—0,5% V. При плавке значительное количество титана пере-
ходит в состав шлака, из которого титан извлекают химическим
путем;
хромистый железняк различных месторождений Урала и Казах-
стана. Рудный минерал этих руд — хромит FeO-CrO3, обладающий
очень высокой температурой плавления.
Марганцевые руды. Железные руды обычно содержат незначи-
тельное количество марганца, поэтому при выплавке чугуна в шихту
приходится добавлять марганцевую руду.
Рудным минералом марганцевых руд могут быть некоторые окислы
марганца: МпО, (перекись марганца — пиролизит), Мп4О3 (окись
марганца — браунит), Мп3О4 (закись-окись марганца — гаусманит)
и соединения окислов марганца с окислами других элементов.
В доменном производстве применяют марганцевые руды с содержа-
нием 25 —40% Мп. Пустая порода этих руд обычно глинистый песок.
Поэтому марганцевые руды непрочны: при добыче и перевозке образу-
ется много мелочи и пыли. На некоторых рудниках марганцевые руды
промывают водой для обогащения.
Наиболее крупные запасы марганцевых руд сосредоточены в Чиа-
турском (Грузия), Никопольском (Украина) и Мазульском (вблизи г.
Ачинска) месторождениях.
13
Отходы металлургического производства. В доменную печь за-
гружают также некоторое количество металлургических отходов: ко-
лошниковую пыль (30—45% Fe и 3—12% С), которую предварительно
подвергают окускованию; металлический скрап; передельные шлаки
сталеплавильного производства с повышенным содержанием марганца
(10—18% Fe, 6—10% Мп); окалину прокатного и кузнечного произ-
водств и сварочные шлаки.
§ 2.	Топливо и флюсы
Топливо. Для выплавки чугуна применяют твердое топливо.
Более 98% чугуна выплавляют на коксе и 1—2 % на древесном угле.
Топливо выполняет в доменной печи очень важную роль. Его го-
рение создает высокие температуры, необходимые для восстановления
руды, плавления и перегрева образующихся чугуна и шлака. Кроме
того, часть углерода топлива непосредственно участвует в реакциях
восстановления руды.
Используемый в доменном производстве кокс должен обладать вы-
сокой теплотой сгорания, достаточной прочностью и пористостью и
содержать минимальное количество вредных примесей (серы и фосфора)
и зол.
Флюсы применяют для получения шлаков нужной основности,
так как в пустой породе руды и топливе обычно преобладает кремнезем.
В качестве флюсов обычно используют известняк — СаСО3 и реже
доломитизированный известняк (mCaCO3-nMgCO3, где т > п). В не-
которых случаях применяют кремнистоглиноземистые флюсы или толь-
ко кремнезем. Количество флюсов рассчитывают исходя из химического
состава пустой породы руды, золы и с учетом требований, предъявляе-
мых к физико-химическим свойствам шлака. Флюсы должны иметь
минимальное количество вредных примесей (серы и фосфора). В извест-
няке нежелательной примесью является кремнезем, так как он умень-
шает флюсующую способность известняка и увеличивает количество
шлака в доменной печи.
§ 3.	Подготовка шихты к плавке
Кокс перед загрузкой в доменную печь просеивают на роликовых
(дисковых) грохотах. Флюсы дробят в щековых или валковых дро-
билках, а затем просеивают на колосниковых (встряхивающих) или
барабанных (вращающихся) грохотах.
Подготовка железных руд к плавке зависит от содержания в них
железа и их физических свойств. Богатые железные руды направляют
на специальные фабрики для дробления и сортировки. Крупные фрак-
ции железных руд (более 60—100 мм) поступают на дробление до Кус-
ков средних размеров с последующей сортировкой. Средние фракции
(30—80 мм) направляют железнодорожным или водным транспортом
без предварительной обработки на склад металлургического завода.
При складировании железных руд на металлургическом заводе
принята определенная система, позволяющая усреднять их состав.
14
Руду выгружают из вагонов или судов в высокие штабеля и затем
пересыпают грейферным краном с одного места на другое. Этим дости-
гается перемешивание руды и выравнивание ее химического состава.
Бедные железные руды перед доставкой на металлургический завод
обогащают. Известно несколько способов обогащения железной руды.
Так. бурый железняк с песчано-глинистой пустой породой промывают
сильной струей воды. Пустая порода отделяется от рудного вещества и
уносится водой. Эту операцию осуществляют в корытных мойках, вра-
щающихся цилиндрических или конических барабанах, а также в от-
садочных машинах с неподвижным или подвижным решетом и пульси-
рующей восходящей струей воды. Промытую руду после естественной
или искусственной сушки направляют в плавку.
Бедные железные руды, содержащие вкрапления магнетита
резО4. обогащают электромагнитным способом в сепараторах барабан-
ного или ленточного типа. Руду с крупными и средними вкраплениями
магнетита дробят до кусков размерами 25—30 мм и подвергают сухой
магнитной сепарации. Руду с мелкими и тонкими вкраплениями магне-
тита сначала измельчают до частиц размерами 3 мм, а затем подвергают
мокрой магнитной сепарации.
По объему' обогащения железных руд СССР занимает сейчас первое
место в мире, 85—86% всей добываемой железной руды подвергается
обогащению. Доля концентрата в общем производстве руды достиг-
ла 62%,а доля железа в концентрате в ряде случаев достигает 69%.
Мелкие фракции железных руд и концентрат, оставшиеся после
отсева и мокрой магнитной сепарации, а также пылеватые железные
руды можно использовать для плавки только в окускованном виде.
Известно несколько способов окускования рудной мелочи и пылеватых
руд. Так, при брикетировании мелкий материал прессуют в специаль-
ных формах с добавкой связующих материалов (глины, жидкого стек-
ла, смолы, цемента) или без них. После воздушной сушки или высоко-
температурного обжига полученные брикеты приобретают необходи-
мую прочность. Они представляют хороший материал для выплавки
чугуна, однако процесс их получения сложен и недостаточно произво-
дителен.
Очень перспективна и все шире применяется подготовка к плавке
пылеватых руд и тонкоизмельченного рудного концентрата путем
изготовления комков или окатышей. Для получения окатышей пыле-
ватую рудную массу смешивают с незначительным количеством связ-
ки (тонкоизмельченой глиной, известью и др.), затем увлажняют до
8—10% и загружают в смесительное устройство — вращающуюся
неглубокую наклонную чашу или в барабан. При вращении смесите-
ля увлажненная рудная шихта перемешивается. Сначала образуются
слипшиеся комочки, а затем шаровидные комки (окатыши) размерами
25—30 мм. После механизированной выгрузки из смесителя окатыши
подвергают сушке и обжигу.
Широко распространен способ окускования мелких и пылеватых
железных руд агломерацией (спеканием) на колосниковой решетке аг-
ломерационных машин. Производительность этих машин достигает
2—2,5 тыс. т агломерата в сутки. Для агломерации приготовляют спе-
15
циальную шихту, состоящую из рудной мелочи размером 5—8 мм,
колошниковой пыли, рудного концентрата и измельченных до 3 мм
отходов коксика. Масса коксика составляет 6—10% массы шихты;
соотношение между массами рудной мелочи, колошниковой пылью и
концентратом определяется местными условиями. Эту шихту перед
спеканием увлажняют до 5—6% и тщательно перемешивают в смеси-
тельных устройствах. При перемешивании образуются комочки, в
результате чего шнхта приобретает зернистый характер. В таком сос-
тоянии ее загружают на колосниковую решетку агломерационной ма-
шины слоем толщиной 200 —300 мм и поджигают газовой горелкой сна-
ружи. Под колосниковой решеткой находятся вакуумные камеры;
мощный эксгаустер создает в них разрежение. Оно обеспечивает про-
хождение воздуха через слой шихты и, следовательно, перемещение
зоны горения коксика по толщине шихты (горение заканчивается
у колосниковой решетки агломерационной машины). При горении кок-
сика развивается высокая температура (до 1450° С) и образуется по-
ристый продукт (агломерат).
Образование агломерата обусловлено появлением в горячем слое
шихты файялита (2FeO-SiO.J, имеющего температуру плавления около
1210° С. С другими окислами шихты (FeO, SiO2, СаО) файялит образует
более легкоплавкие соединения, переходящие в жидкое состояние при
ИЗО—1200° С. Эти соединения размягчаются и плавятся раньше дру-
гих компонентов шихты. При этом они связывают более тугоплавкие и
крупные частицы руды. Количество этой ".вязки зависит от содержания
кокса в шихте. Чем оно больше, тем прочнее агломерат после остыва-
ния.
Агломерат обладает достаточной прочностью, высокой пористостью,
хорошей восстановимостью. Применение его увеличивает производи-
тельность доменной печи и несколько сокращает расход топлива на
1 т чугуна.
В последнее время на металлургических заводах стали широко при-
менять офлюсованный агломерат, получаемый путем спекания желез-
ной руды с добавкой известняка. Оптимальное количество известняка
в агломерате определяется отношением CaO:SiO2, т. е. его основностью.
Основность агломерата и доменного шлака в среднем равна 1—1,4.
Офлюсованный агломерат восстанавливается легче обычного, но он
прочен. Такой агломерат облегчает образование шлака в доменной пе-
чи, уменьшает расход известняка и кокса. При использовании офлюсо-
ванного агломерата флюсы в доменную печь нс загружают.
По производству агломерата СССР занимает первое место в мире.
§ 4.	Устройство доменной печи
Технический прогресс в доменном производстве характеризуется
прежде всего увеличением объемов доменных печей. Если за годы вось-
мой пятилетки были введены три печи полезным объемом 2000 мэ
и три печи полезным объемом 2700 мя, то в девятой пятилетке построе-
ны еще несколько печей, в том числе печи с полезным объемом 3200 и
16
5000 м3, производительностью соответственно 7000 и 11 000 т в сутки и
более. На рис. 2 дана современная схема доменного производства.
Доменную печь отноАтк печам шахтного типа. Рабочее простран-
ство печи (рис. 2) состоит из горна, заплечиков и шахты. Шахта —
часть печи выше заплечиков;она состоит из нижней цилиндрической час-
ти — распара, средней коничес-
кой части и верхней цилиндричес-
кой части — колошника.
Колошник предназначен для
приемки шихтовых материалов и
отвода газов. Коническая часть
шахты облегчает опускание про-
плавляемых материалов и распре-
деление газов по поперечному се-
чению печи. Сужение заплечиков
книзу связано с уменьшением объ-
ема материалов при переходе в
жидкое состояние (чугун и шлак).
В верхней части горна располо-
жены воздушные фурмы. Из коль-
цевого воздухопровода воздух пос-
тупает к каждой фурме печи по
футерованному фурменному рука-
ву и металлическому патрубку.
Воздушная фурма состоит из собст-
венно фурмы, бронзового коничес-
кого холодильника и чугунной ам-
бразуры, закрепленной в огнеупор-
ной кладке печи. Медная водоох-
лаждаемая фурма выступает внутрь
печи на 150—200 мм для отвода
дутья от стены печи. Диаметр вы-
ходного отверстия фурмы состав-
ляет около 150—160 мм.
Нижнюю часть горна называют
лещадью. Она состоит из несколь-
ких рядов высококачественного
шамотного кирпича или из графи-
то-глинистых блоков. На ней со-
бирается чугун и шлак, выпуска-
емые через соответствующие «четки
в ковши.
Чугунная летка находится на
600—1700 мм выше уровня лещади.
Поэтому на ней всегда остается жидкий чугун, предохраняющий ле-
щадь от разрушения. Эта летка имеет форму канала, проходящего
через огнеупорную кладку нижней части горна. Обычно их две, но на
больших печах — свыше 3200 м® — ограничиваются одной. В период
между выпусками чугуна летку забивают огнеупорной массой.
Рис. 2. Современная доменная печь
(вертикальный разрез):
J — засыпной аппарат; 2 <— газоотводы; 3 -—
защитные щиты; 4 — огнеупорная кладкам
5 — стальной кожух; 6 — кольцевые пло-
щадки; 7— холодильники шихты; 8— опор-
ное кольцо; $ — кольцевой воздухопровод;
Ю — фурменный рукав; И — рабочая пло-
щадка; 12 — колонна; 73 — летка для чу-
гуна; 14 — холодильники; /5 — летка для
шлака
17
Шлаковые летки располагают на 1,4—1,9 м выше уровня чугунной
летки.Шлаковая летка представляет медную коническую водоохлаждае-
мую кольцевую трубу, узкое отверстие которой направлено внутрь пе-
чи, а более широкое наружное — всторону желоба для выпуска шлака.
В период между выпусками шлака летку закрывают металлическим
стопором.
Доменная печь опирается на железобетонный фундамент. По на-
ружной поверхности фундамента установлены стальные колонны, под-
держивающие опорное кольцо шахты печи.
Огнеупорная кладка шахты охвачена стальным кожухом, имеющим
коробчатые холодильники, по которым циркулирует вода. Стенки гор-
на и заплечиков заключены в прочную стальную броню с плитовыми
холодильниками.
Над колошником печи имеется засыпной аппарат, состоящий из
узкой приемной вращающейся воронки.
§ 5.	Рабата доменной печи
Задувка доменной печи. Новую доменную печь после проверки
работы оборудования ставят под задувку, т. е. ее подготавливают
для непрерывной работы в течение 5—10 лет. Задувку печи начинают с
медленной сушки огнеупорной кладки в течение 5—6 суток. Для этого
в горне сжигают доменный газ или подают туда горячее воздушное
дутье от действующей печи. На новом заводе первую печь сушат при
сжигании на лещади дров и кокса. Воздух для горения подают через
фурмы, газообразные продукты горения отводятся через колошник.
После сушки и некоторого прогрева кладки в печь осторожно за-
гружают задувочную шихту, поджигают кокс около фурм и подают
дутье. Задувочная шихта состоит только из одного кокса (холостые
колоши), а затем — из кокса с небольшим количеством флюса и руды.
С развитием горения кокса в загружаемой шихте увеличивают со-
держание руды и флюсов до расчетных значений.
Первый выпуск шлака из доменной печи производят через 15—20 ч
после задувки, а чугуна — через сутки. Образующийся при задувке
печи газ сначала выходит в атмосферу, а затем направляется на газо-
очистку и далее потребителю.
Схема работы доменного цеха приведена на рис. 3. Со склада шихто-
вых материалов шихта поступает в вагон-весах 1 к скиповой яме. Скип
<3 загружают шихтой из загрузочной воронки 2. После этого скип ле-
бедкой поднимают по рельсам наклонного подъемника печи на колош-
ник. Шихта попадает сначала в приемную воронку 4 с малым конусом
4а, затем в загрузочную воронку 5 с большим конусом 5а и далее в ра-
бочее пространство печи.
После загрузки очередной порции шихты приемная воронка с ма-
лым конусом поворачивается на 60°, что позволяет равномерно распре-
делить шихту 7 на поверхности большого конуса перед опусканием ее
в печь. Маневрирование большим и малыми конусами в загрузочном ап-
парате доменной печи производится независимо друг от друга.
18
Для достижения высоких температур и форсирования плавки ших-
ты в печь подают горячий воздух б (дутье). Холодный воздух из возду-
ходувки пропускают через нагретую до 1000—1200°С насадку воздухо-
нагревателя 12. В результате воздух нагревается до 780—950сС. Пока
один воздухонагреватель 12 отдает тепло кладки холодному воздуху
(и в результате остывает), второй воздухонагреватель 13 нагревается
до температуры 1200°С, т. е. регенерирует тепло, выделяющееся при
сжигании доменного газа, предварительно очищенного от пыли в га-
зоочистителе 14; продукты горения удаляются в дымовую трубу 15.
Рис. 3. Схема работы доменного цеха
После остывания насадки воздухонагревателя 12 и достаточного нагре-
ва насадки воздухонагревателя 13 производят перекидку клапанов;
холодный воздух направляется в воздухонагреватель 13, а воздухона-
греватель 12 нагревается. Обычно воздухонагреватель работает на на-
грев дутья около 1 ч и на разогрев огнеупорной насадки около 2 ч.
Поэтому для бесперебойного обслуживания печи необходимо иметь три
воздухонагревателя. Через шлаковую летку 10 удаляется шлак, а
через летку // — чугун.
Физико-химические процессы, происходящие в доменной печи.
При горении кокса вблизи фурм печи проплавляемые материалы
постепенно опускаются навстречу потоку раскаленных газов, образу-
ющихся в горне и в заплечиках печи. Под действием потока раскален-
ных газов шихтовые материалы нагреваются и претерпевают ряд физи-
ческих и химических изменений. На колошнике печи температура га-
зов равна 300—550° С, а вблизи фурм она достигает 1900° С. Здесь про-
исходит горение углерода кокса по реакции
С + Оа=СОг	(1)
19
В результате этой реакции выделяется большое количество тепла
(экзотермическая реакция}. При контакте с раскаленным коксом образо-
вавшаяся двуокись углерода почти полностью разлагается по реакции
СО2 4- С = 2СО	(2)
Поэтому газовая фаза приобретает резко восстановительные свой-
ства.
При соприкосновении в печи с отходящими газами шихтовые ма-
териалы теряют сначала гигроскопическую, а затем и химически свя-
занную влагу. Вследствие потери влаги (дегидратации) масса кусков
шихты уменьшается; они делаются более пористыми и иногда растрес-
киваются. Удаление связанной (гидратной) влаги начинается при 102—
105° Сив некоторых случаях заканчивается при 450—500D С (напри-
мер, для кусков глинистого вещества— А1203-2510г-2Н20).
Дегидратация шихтовых материалов начинается на колошнике,
а заканчивается обычно в верхней половине шахты печи. Здесь же
удаляются остатки летучих веществ из кокса (Н2, СН4 и др.).
В средней и нижней частях шахты печи происходит термическое
разложение (диссоциация) углекислых соединений, содержащихся
в флюсе и некоторых видах железной руды (сидерите). Температура
начала и конца разложения зависит от химической природы углекис-
лых соединений и величины кусков. Так, разложение известняка с
переходом его в известь происходит при 900—1000° С по реакции
СаСО3 = СаО + СО2	(3)
Разложение сидерита с образованием магнетита наблюдается при
более низких температурах (400—550° С) по реакции
3FeCO3 = Fe3O4 4- 2СО2 + СО	(4)
Двуокись углерода, выделяющаяся при разложении СаСО3 и дру-
гих углекислых соединений, уменьшает концентрацию окиси углерода
в колошниковых газах.
Куски железной руды и агломерата после удаления из них влаги
восстанавливаются, образуя металлическое железо. Восстановителями
железной руды в печи могут быть: окись углерода (образуется возле
фурм печи при горении кокса); водород (образуется в нижних гори-
зонтах печи при взаимодействии влаги дутья с углеродом кокса по
реакции С 4- Н2ОпяР = СО 4- Н2); твердый углерод (находится в
раскаленном коксе). Обычно в доменных газах содержится небольшое
количество водорода; большая часть железной руды восстанавливается
окисью углерода и твердым углеродом. Восстановление руды окисью
углерода начинается в шахте и происходит ступенчато по реакциям:
3Fe4O, + СО = 2Fe3O4 4- СО2
Fe3O4 4- СО == 3FeO 4- СО2
FeO 4- СО = Fe 4- COS
(5)
(6)
(7)
20
Наиболее важна реакция (7), конечным продуктом которой являет-
ся металлическое железо. Она называется реакцией косвенного вос-
становления железа и протекает при умеренных температурах (500—
90(Г С) с выделением тепла.
В присутствии раскаленного кокса и при более высоких температу-
рах (выше 1000—‘1100° С) в печи происходит не только восстановление
•железной руды до металлического железа, но и очень быстрая регене-
рация окиси углерода по реакции (2).
Одновременное течение реакций (7) и (2) позволяет суммировать их и
получить
FeO + С - Fe + СО	(8)
Реакцию (8) называют реакцией прямого восстановления железа.
Она происходит при взаимодействии окисла с твердым углеродом кокса
или углеродом, отложившимся в порах железной руды при низких
температурах в виде сажи. Принято считать, что в печи около 60—50 %
железа образуется по реакции (7), а 40—50% — по реакции (8).
Прямое восстановление железа происходит в районе распара печи и
тем лучше, чем выше температура находящихся здесь материалов,
так как реакция (8) эндотермическая (идет с поглощением тепла).
Образующееся в печи металлическое железо находится сначала в
твердом виде (губчатое железо), поскольку оно имеет высокую темпе-
ратуру плавления (1539° С). В присутствии окиси углерода губчатое
металлическое железо постепенно науглероживается по реакции
3Fe + 2СО = Fe3C + СО2	(9)
Температура плавления этого железа понижается до 1150—1200° С.
Науглероженное железо (1,8—2%) переходит в жидкое состояние
и стекает каплями между кусками раскаленного кокса на лещадь печи.
Во время перемещения капельки металла дополнительно насыщаются
углеродом примерно до 3,5—4%, т. е. до обычного содержания угле-
рода в жидком чугуне.
Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа про-
исходит восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, ко-
торые также переходят в чугун. Высшие и средние окислы марганца
восстанавливаются до низшего ступенчато окисью углерода по схеме
МпО2 -> Мп2О3 Мп3О4 -* МпО. Наиболее трудно восстановимый
низший окисел марганца (закись) восстанавливается твердым углеро-
дом по реакции
МпО + С=Мп^СО	(10)
Реакция (10) сопровождается поглощением тепла и протекает при
температурах выше 1100—1200° С. Это определяет режим работы печи
при выплавке чугуна марганцовистых марок. Печь должна работать
при повышенном расходе кокса и возможно более высоком нагреве
дутья (до 1200° С и выше; в перспективе даже до 1400° С).
Кремнезем восстанавливается только твердым углеродом по эн-
дотермической реакции
SiO2 + 2С = S1 4- 2СО	(11)
21
Реакция (11) в чистом виде развивается при 1450° С, но в присутствии
восстановленного металлического железа начинается при более низкой
температуре (1050—1100°С). Таким образом, при выплавке чугуна крем-
нистых марок печь также работает при повышенном расходе кокса и
более высоком нагреве дутья.
Фосфор попадает в шихту в виде фосфорнокальциевых солей. В
присутствии пустой породы железной руды фосфор восстанавливается
твердым углеродом по реакции
P2OS (СаО)4 + 5С -У 2SiO3 =- 2Р ф 2 (Са0)2 • SiOa + 5СО (12)
Реакция (12) происходит в печи очень легко и фосфор полностью
переходит в чугун.
Содержащаяся в шихте сера частично удаляется с газами в виде
H2S и SO2. Однако значительное количество серы остается в печи в виде
сульфидов и распределяется между образующимися жидкими шлаком и
чугуном. Наименее желательное соединение серы — сульфид железа
FeS, хорошо растворимый в металле.
При достаточно большом насыщении шлака известью (45—50%) в
горце печи наблюдается реакция
FeS + СаО + С = Fe + CaS + СО	(13)
в результате которой часть серы переходит в шлак в виде нерастворимо-
го в металле сернистого кальция. Для более полного протекания реак-
ции (13) необходимо регулировать образование шлака в печи. В част-
ности, в шихту следует подавать определенное количество известняка и
поддерживать в горне высокую температуру. Последняя зависит от
расхода кокса, температуры дутья и правильного режима шлакооб-
разования в верхних частях печи.
Образование шлака в печи происходит в две стадии. Примерно на
уровне распара или нижней части шахты сначала образуется первич-
ный шлак на основе легкоплавкой смеси нескольких окислов—
извести, кремнезема, глинозема и закиси железа. При некотором соот-
ношении указанных компонентов первые порции жидкого железистого
шлака образуются при 1160—1200° С. Первичный шлак, стекая в горн,
нагревается до более высоких температур и изменяет химический состав
в связи с растворением в нем золы кокса, флюсов и остатков пустой
породы железной руды. В конечном шлаке остается очень мало закиси
железа, но он обогащается известью, окисью магния, иногда глинозе-
мом. В связи с этим обессеривающая способность шлака в горне резко
возрастает, что благоприятно отражается на реакции (13).
§ 6.	Продукты доменного производства
Современная доменная печь поглощает большое количество шихто-
вых материалов и воздуха. Так, для производства каждых 100 т пере-
дельного чугуна необходимо в среднем подать в печь 190 т железной
руды (включая агломерат), 95 т кокса, 50 т известняка и около 350 т
воздуха. В результате кроме 100 т чугуна получается около 80 т шлака
и 500 т доменного газа.
22
В доменных печах выплавляют:
1.	Передельный чугун (примерно 80—90% всего произ-
водства чугуна), который направляют на переработку в сталь:
а)	мартеновский чугун марок М-1 и М-2. Его получают при умерен-
ном ходе доменной печи; он содержит 1,5—2,5% Мп; 0,4—1,5% Si;
0,15—0,30% Р; 0,03—0,07% S;
б)	бессемеровский чугун марок Б-1 и Б-2 получают при горячем ходе
печи из малофосфористых руд; он содержит 0,6—1,0 — 1,5% Мп;
0,9—2,0% Si; до 0,07% Р; до 0,04% S;
в)	томасовскийчугун марки Т-1 выплавляют из фосфористых руд при
умеренном ходе печи; содержит 1,6—2,0 Р; 0,8—1,3% Мп; 0,2—0,6% Si;
до 0,08% S.
2 Литейный чугун, составляющий 8—17% всего произ-
водства чугуна, марок ЛК-00, ЛК-0, ЛК-1 и до ЛК-5, применяют для
получения отливок. Его получают при горячем ходе печи из шихты с
достаточным содержанием кремнезема. В зависимости от марки чугун
содержит 1,25—4,25% Si и до 1,3% Мп.
3. Специальные чугуны, или доменные ферро-
сплавы, составляют 2—3% всего производства чугуна: ферросили-
ций (9—13% Si), бедный ферромарганец (10—25% Мп), богатый ферро-
марганец (70—75% Мп) и др. Их применяют для раскисления и леги-
рования сталей и некоторых других нужд.
Состав шлака зависит от состава шихты и марки чугуна. При про-
изводстве в коксовых доменных печах передельного и литейного чугу-
нов основность шлаков, т. е. отношение (СаО + MgO)/SiO2, принима-
ется выше единицы (1,20—1,5). Состав шлаков коксовых доменных пе-
чей, например, таков: 35—40% SiO2, 36—55% (СаО ф- MgO); 10—12%
А12О3. Шлаки древесноугольных доменных печей более кислые, т. е.
содержат больше SiO2.
Из доменных шлаков можно изготовлять цементы и другие матери-
алы для нужд строительства (шлаковые кирпичи, шлаковую вату,
шлаковую щебенку, брусчатку для покрытия дорог нт. п). При пере-
работке шлака на отечественных металлургических заводах в среднем
около 40—50% его уходит в отвалы. Металлургический шлак находит
широкое применение в дорожном строительстве.
§ 7. Технико-экономические показатели и перспективы
производства чугуна
К наиболее важным показателям работы доменной печи относятся
суточная производительность и расход топлива на 1 т выплавляемого
чугуна.
В настоящее время наиболее высокая производительность достиг-
нута на советских доменных печах.
Для сравнения производительности доменных печей различного
объема в СССР принят показатель — коэффициент использования по-
лезного объема (к. и. п. о.). (В СССР принято определять полезный объем
доменной печи от уровня засыпки до лещади.) Этот коэффициент пред-
23
ставляет собой частное от деления полезного объема печи V на средне-
суточную производительность Р (в м’/т): К = V/P.
Чем лучше работает доменная печь, тем меньше этот коэффициент.
Значение К зависит в основном от трех факторов: сорта выплав-
ляемого чугуна; содержания пустой породы в железной руде и качества
подготовки шихты к плавке.
С развитием техники доменного производства использование объе-
ма печи непрерывно улучшается: В 1970 г. к. и. п. о. составлял
0,597. Наилучшего к. и. п. о. достигли на доменных печах Череповец-
кого металлургического завода (0,43) и Магнитогорского металлурги-
ческого комбината (0,56). Среднее значение к. и. п. о. сейчас в СССР
составляет 0,56.
Расход топлива на 1 т чугуна в основном зависит от степени исполь-
зования физического тепла и восстановительной способности газов,
марки выплавляемого чугуна, нагрева дутья, содержания пустой по-
роды в руде и качества топлива. В настоящее время в СССР средний
расход кокса на 1 т передельного чугуна значительно ниже, чем в Анг-
лии, ФРГ и США. Наименьший расход топлива достигнут на доменных
печах Череповецкого металлургического завода при выплавке пере-
дельного чугуна.
Выплавка чугуна (в пересчете на передельный) на одного рабочего
доменного цеха на Магнитогорском и Кузнецком металлургических
комбинатах составляет соответственно 7611 и 7200 т в год.
По выплавке чугуна СССР давно занимает первое место в мире.
В 1975 г. выплавка чугуна в СССР достигла ЮЗ млн. т.
В настоящее время основное количество чугуна выплавляется в
доменных печах большого объема. Максимальный полезный объем до-
менной печи в СССР составляет 5000 м3 (Криворожская печь).
Успехи в доменном производстве достигнуты в результате улучше-
ния подготовки шихты, промывки углей перед их коксованием, замены
руды агломератом и окатышами, производства самоплавкого офлюсо-
ванного агломерата, интенсификации процесса и совершенствования
технологии плавки путем применения повышенного давления газа и
повышенной температуры нагрева дутья, применения в ряде случаев
дутья, обогащенного кислородом, вдувания в доменные печи природ-
ного газа, увеличение размеров печей и совершенствования их профи-
ля, конструкции и оборудования, механизации и автоматизации про-
изводственных процессов.
Современная доменная печь является одним из наиболее механизи-
рованных и автоматизированных металлургических агрегатов.
На большинстве доменных печей, автоматически регулируется тем-
пература горячего дутья и его влажность, давление под колошником,
нагрев воздухонагревателей, на многих печах применено автоматичес-
кое переключение воздухонагревателей. Автоматизировано управле-
ние системами подачи и загрузки шихтовых материалов в печь. На ря-
де предприятий автоматизированы операции по набору и взвешиванию
шихтовых материалов и загрузке их в скип. Осуществляются меропри-
ятия по комплексной механизации управления чугунной и шлаковой
летками; проводится подготовка массы для забивки леток, набивки и
24
обмазки чугунных и шлаковых желобов, замены фурм и выполнения
других тяжелых работ на площадке у горна.
В СССР разработана комплексная система автоматического управ-
ления доменным процессом с применением счетно-решающих машин.
В СССР ведутся научные и промышленные исследования по разра-
ботке экономичных способов производства металлизированного сырья.
В последние годы построены четыре опытные установки для производ-
ства губчатого железа суточной производительностью от 50 до 100 т.
На этих установках губчатое железо получают непосредственно из руд
путем прямого восстановления при температурах 950—1000° С, при-
чем пустая порода и железо находятся в твердом состоянии.
Существуют различные технологические схемы получения губчато-
го железа; одна из перспективных — получение этого продукта в пе-
чах с кипящим слоем. Восстановление производится путем продувки
водорода или смеси водорода и окиси углерода под давлением 30 кгс/см2
(ЗМН/мг)'. Железо отделяют от пустой породы магнитной сепарацией.
Губчатое железо содержит очень мало вредных примесей (0,005 % S и
0,005% Р).
Особо следует отметить новую технологию прямого получения же-
леза, разработанную в СССР при участии западногерманских фирм.
Имеется в виду Оскольский электрометаллургический комбинат, ко-
торый будет получать (на базе руд Курской магнитной аномалии) до
5 млн. т в год металл и зо в энных окатышей путем газового восстановле-
ния руды в шахтных печах*. В Криворожской опытно-промышленной
установке окатыши получают непосредственно из руды методом вос-
становления углем (или коксовой мелочью) в трубчатых вращающихся
печах.
Глава III
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
Технический прогресс в сталеплавильном производстве характери-
зуется интенсивным наращиванием мощностей плавильных агрегатов,
широким применением кислородно-конверторного процесса и непре-
рывной разливки стали, повышением качества металла.
По выплавке стали СССР занимает первое место в мире. В 1975 г.
стали произведено 141 млн. т. По пятилетнему плану в 1980 г. на-
мечено произвести 160—170 млн. т. стали.
Нелегированная (углеродистая) сталь отличается от чугуна мень-
шим содержанием углерода, кремния, марганца, серы и фосфора, что
достигается окислением этих элементов во время плавки в различ-
ных металлургических агрегатах. В настоящее время сталь произво-
дят в трех типах плавильных агрегатов — конверторах, мартеновских
и электрических печах.
В качестве металлических шихтовых материалов используют:
жидкий чугун и стальной лом (в конверторах); жидкий и твердый чугун
Комбинат будет также выпускать 2,5 млн. т проката.
25
со стальным ломом в мартеновских и электрических печах и иногда
один стальной лом (в электрических печах). Кроме того, в состав ших-
ты входит известь и другие шлакообразующие вещества, раскислители,
железная руда и легирующие добавки.
§ 1. Производство стали в конверторах
Устройство конвертора. Выплавка стали путем продувки жидкого
чугуна воздухом для удаления (уменьшения) углерода, кремния,
марганца, серы и фосфора производится в конверторах.
Рис. 4. Конвертор
Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы (рис. 4).
Кожух конвертора изготовлен из стальных листов 1 и внутри выложен
огнеупорным материалом 2 (футеровка). В средней части снаружи ко-
жух опоясан металлическим кольцом с цапфами 3 и 4. При помощи
этих цапф конвертор подвешивают на двух кронштейнах. Гидравли-
ческий подъемник 5, 6 (в некоторых случаях редукторный механизм)
предназначен для наклона конвертора. Подъемник связан рейкой с
зубчатой шестерней, укрепленной на цапфе 3.
Через полую цапфу 4 из воздухопровода 7 поступает воздух под
избыточным давлением 0,2—0,25 МН/м3 (2,0—2,5 ат). Для приема и
распределения воздуха по фурмам 8 имеется воздушная коробка 9.
Выше цилиндрической части конвертора находится футеровка его шле-
ма 10, оканчивающегося горловиной 11.
Для заливки чугуна через эту горловину конвертор наклоняют в
горизонтальное положение (рис. 5,а). В этом положении фурмы долж-
ны быть выше уровня залитого чугуна. После заливки чугуна конвер-
тор медленно поворачивают в вертикальное положение (рис. 5,6) и
одновременно подают воздушное дутье, препятствующее проникнове-
26
нию чугуна в отверстия фурм. Готовую сталь наклоном конвертора
выпускают в ковш (рис. 5,в). Количество заливаемого в конвертор
чугуна не должно превышать V6 объема цилиндрической части. Ос-
тальной объем конвертора необходим для циркуляции металла при его
продувке воздухом.
В зависимости от вида футеровки конверторов различают два про-
цесса: бессемеровский и томасовский. При бессемеровском процессе
(кислом) футеровку в конверторах выполняют из кислых материалов
(динасовый кирпич или кварцит); при томасовеком процессе (основном)
— из основных материалов (обожженный доломит). Кислая футеровка
выдерживает 1000 —2000 плавок,, а основная 300—400. Дниша конвер-
тора меняют чаще, так как они разрушаются быстрее.
Рис. 5. Заливка (а), продувка (б) и выпуск стали из конвертора (в) (схема)
Емкость кислых конверторов обычно равна 10—30 т, аосновных 23—
40 т и более. Емкость современных конверторов достигает 300 т. Дав-
ление воздушного дутья 0,30—0,35 МН/м3 (МПа). На 1 т чугуна тре-
буется около 350 ма воздуха.
Бессемеровский процесс. При этом процессе производства стали
используют чугун с высоким содержанием кремния (до 2%) и марган-
ца (до 1,5%) и минимальным количеством серы и фосфора. При про-
дувке металла воздухом развиваются реакции горения железа, крем-
ния, марганца с выделением большого количества тепла. В результате
резко повышается температура металлической ванны (с 1250 до 1650е С).
Бессемеровский процесс состоит из трех периодов: шлакообразова-
ния (период искр), пламени и бурого дыма.
Первый период начинается после пуска воздушного дутья в конвер-
тор и продолжается 4—5 мин. В этот период частично окисляется желе-
зо по реакции
2Fe+Oa = 2FeO	(14)
Образующаяся закись железа переходит в шлак и растворяется в ме-
талле, окисляя кремний и марганец:
Si + 2FeO SiO2 + 2Fe	(15)
Mn -J- FeO -*• MnO + Fe	(16)
27
В этот период окисляются также кремний и марганец по реакциям:
Si-i-O8 = SiO2	(17)
2Мп + Оа = 2МпО	(18>
Все эти реакции экзотермические, выделяют большое количество
тепла и являются источником нагрева металла.
Окисли кремния и марганца вместе с закисью железа образуют
кислый шлак (40—50% SiO2).B первый период из горловины конверто-
ра вместе с газами вылетают капельки жидкого чугуна, образующие в
воздухе искры (за счет сгорания углерода).
Второй период начинается после того, как из чугуна выгорит почти
весь кремний и марганец, а металл достаточно хорошо разогреется.
Это создает условия для окисления растворенного в металле углеро-
да по реакции
С-р FeO = Fe + СО	(19)
сопровождающейся поглощением тепла и понижением температуры
металла примерно на 50—80° С. Получающаяся в результате этой ре-
акции окись углерода сгорает в воздухе, образуя над горловиной кон-
вертора яркое пламя. Второй период обычно продолжается 8—12 мин.
Третий период начинается с появления над горловиной конвертора
бурого дыма. Это означает, что все примеси металла окислились и на-
чинает окисляться железо. Этот период продолжается не более 1—2 мин.
Затем конвертор наклоняют в горизонтальное положение, и в металли-
ческую ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или
алюминий) для связывания оставшегося в металле кислорода и дове-
дения стали до заданного химического состава по марганцу и кремнию.
Готовую сталь через горловину конвертора выливают в ковш и нап-
равляют на разливку. Угар металла при продувке чугуна в конверторе
равен 8—12%.
Перед заливкой в конвертор чугун некоторое время выдерживают
в больших футерованных сосудах — миксерах для усреднения его
химического состава, регулирования температуры и частичного обес-
серивания (в бессемеровском конверторе нельзя удалять серу).
Великий русский металлург Д. К. Чернов и инженер К- П. Поле-
нов разработали «русский способ бессемерования», позволяющий вы-
плавлять сталь из мало кремнистых чугунов за счет предварительного
перегрева чугуна до заливки его в конвертор.
Бессемеровскую сталь с повышенным содержанием углерода полу-
чают двумя способами: прекращением продувки в тот момент, когда
металл имеет заданное количество углерода (плавка с перехватом
дутья); добавкой жидкого чугуна к обезуглероженному металлу.
Томасовский процесс. Наличие громадных месторождений желез-
ных руд, богатых фосфором, вызвало в свое время необходимость изыс-
кать способ производства стали из фосфористых чугунов. При тома-
совском способе производства стали футеровка конвертора основная
(доломит). Это позволило получать основные шлаки, необходимые для
удаления фосфора. В конвертор забрасывают определенное количест-
28
во свежеобожженной извести, а затем заливают чугун с высоким со-
держанием фосфора (1,6—2,0%), минимально возможным содержани-
ем кремния (до 0,6%) и серы (до 0,07%). Заполнение чугуном конвер-
тора, подъем его и пуск дутья осуществляют так же, как при бессеме-
ровском процессе.
В первый период плавки окисляются железо, кремний, марганец
и образуется основной шлак. Температура металла при этом несколь
ко повышается, но фосфор из него еще не удален.
Во второй период плавки окисляется углерод, что сопровождается
некоторым понижением температуры металла. Когда содержание уг-
лерода в металле достигнет 0,1—0,2%, а температура снизится до 1400
— 1420° С, начинается третий период плавки. В этот период (3—5 мин)
происходит очень интенсивное окисление и ошлакование фосфора:
2Р + 5FcO - 4СаО =--- (СаО)4 - РгО- 4- 5Fe	(20)
Реакция (20) сопровождается выделением значительного количест-
ва тепла и сильным повышением температуры металла (до 1600°С).
Перед введением в сталь раскислителей из конвертора необходимо
слить фосфористый шлак. В противном случае фосфор восстановится
из шлака и частично перейдет обратно в металл. Томасовские шлаки
содержат до 24% Р2О,; их применяют в сельском хозяйстве в качеспе
удобрения.
Кислородно-конверторный процесс. Технический прогресс в кон-
верторном производстве характеризуется наращиванием мощностей
кислородно-конверторного производства стали. В 1970 г. доля кисло
родно-конвертор ной стали составляла у нас 19,0 % общей выплавки
стали, в 1975 г. она увеличилась до 32,0% и будет увеличиваться
в дальнейшем.
Применение дутья, обогащенного кислородом для интенсификации
выплавки стали, позволило не только сократить продолжительность
продувки и увеличить производительность, но и снизить содержание
азота в готовой стали до 0,005—0,004 % вместо 0,022% при обычном
воздушном дутье. Последнее особенно важно для расширения приме-
нимости конверторной стали.
За последние годы введены в эксплуатацию кислородные конверто-
ры емкостью от 100 до 300 т (рис. 6). Крупные конверторы имеют луч-
шие техноэкономические показатели. Сокращение продолжительности
продувки с 22—25 до 12—15 мин позволило увеличить производитель-
ность конверторов. Увеличение расхода кислорода с 2—2,5 до 5—6 м3/т
в минуту повысит также интенсивность работы действующих конверто-
ров.
Обычно эти конверторы футеруют магнезитовым или смолодоломито-
вым кирпичом. Летку конвер горов футеруют изделиями из плавленой
окиси магния.
Весь металл в конверторе сильно разогревается. Температура ме-
талла в зоне действия кислорода достигает 3000° С и общая продолжи-
тельность плавки 100-тонного конвертора 25 мин, а время продувки
14—18 мин. В первый период интенсивно выгорает кремний и марганец
29
(4 мин). Во второй период плавки выгорает углерод (от 5 до 10 мин) и в
третий наступает выгорание железа.
Кислородные конверторы оснащены автоматическими системами
регулирования и контроля процесса. В них выплавляют как углеро-
дистую, так и легированную сталь. В настоящее время работают кон-
верторы емкостью 100 , 250 и 300 т: в новых кислородно-конвертор-
ных цехах емкость повысится до 350.ти выше.
Рис, 6. Кислородный конвертор ем-
костью 100—130 т (а) и выгорание при-
месей в нем (б):
/ — футеровка: 5 — фурма водоохлаждяемая;
зеркало ванны; 4 — днище в кислородном
конверторе
Устройство кислородного конвертора (рис. 6) отличается от бессе-
меровского и томасовского. Кислород вдувают в конвертор сверху
через горловину (под давлением до 12 ат) вертикальной водоохлаждае-
мой медной фурмы 2 на зеркало жидкого металла, которая выше
уровня металла на 1500—3000 мм. Выпуск готовой стали производят
через верхнее выпускное отверстие. Вследствие того что в конверторе
развивается высокая температура, возможно вводить не только жид-
кий чугун, но и до 30% железного скрапа, железную руду. Для уда-
ления вредных примесей (серы и фосфора) в конвертор добавляют из-
весть, обычно после разогрева металла кислородом.
Технико-экономические показатели кислородно-конверторного про-
изводства стали.
В текущей пятилетке значительно повышена интенсивность работы
конверторов путем увеличения расхода кислорода до 4—6 м’/т стали
в минуту, увеличения садки, сокращения простоев. В настоящее вре-
мя расход кислорода составляет 50—55 м3 на 1 т стали.
Созданы также вращающиеся конверторы для продувки чугуна
чистым кислородом (рис. 7). Сущность этого процесса (так называемый
50
процесс Калдо) состоит в том,
что во вращающемся конверто-
ре жидкий металл тщательно пе-
ремешивается при одновремен-
ной подаче кислорода. Для за-
ливки чугуна, загрузки шихты,
слива стали и шлака конвертор
может поворачиваться на цап-
фах вокруг поперечной оси. Во
время продувки конвертор вра-
щается вокруг продольной оси
со скоростью 30 об/мин.
Продувкой кислородом обыч-
Рис, 7. Схема вращающегося кон-
ЕСртора:
а — положение конпертора для загрузки
твердой шихты: б—положение конвертора
для залипкн чугуна; а—положение кон-
вертора для слива стали и шлака; / — по-
ворачивающаяся труба для отходящих га-
зов, 2— кислородная фурма
ных чугунов (или чугунов с вы-
соким содержанием фосфора) в
роторных конверторах получа-
ют качественную и высокока-
чественную сталь. Такой кон-
вертор представляет собой ци-
линдрический агрегат длиной
14—15 м, вращающийся вокруг
горизонтальной оси со ско-
ростью 0,1—0,5 об/мин. Перемешивание металла при вращении обеспе-
чивает удаление фосфора и получение высококачественного металла.
§ 2. Мартеновское производство стали
В 1975 г. доля мартеновского производства стали в СССР сократи-
лась главным образом за счет кислородно-конверторного производст-
ва. Все же наибольшее количество стали в девятой пятилетке выплав-
лено в мартеновских печах. Советский Союз имеет крупные мартенов-
ские печи, самые крупные в мире—емкостью 600 и 900 т. Требуемая для
расплавления шихтовых материалов высокая температура (до 1800°С)
достигается предварительным подогревом горючего газа и воздуха.
На рис. 8 изображена схема устройства и работы современной мар-
теновской лечи. Газ и воздух по каналам 1 и 2 подводят к газовому
клапану 10, а затем смесь по каналу 5 поступает в регенератор 6.
Вентилятором 3 по каналу 4 воздух подводится к воздушному кла-
пану 9, от которого по каналу 8 поступает в регенератор 7. Насадка ре-
генераторов, нагретая до 1500—1550е С, отдает тепло проходящим через
них газу и воздуху. Нагреваясь в регенераторах до 1200° С, газ и воз-
дух по вертикальным каналам поступают в головки печи для образо-
вания газовоздушной смеси, которая и сгорает в рабочем пространст-
ве. Продукты горения из рабочего пространства печи через правые
головки направляются в регенераторы 16 и по каналам 15 и 11 посту-
пают в трубу 12.
Когда огнеупорная насадка в регенераторах 6 и 7 начнет остывать,
направление движения газа и воздуха изменится. Клапаны 9 и 10
закрываются, а левые клапаны 14 и 13 открываются. При этом насадка
31
регенераторов 16 будет нагрета до 1200—1300° С теплом отходящих
продуктов горения. После перекидки клапанов продукты горения
пойдут через насадку регенераторов 6 и 7.
Большинство мартеновских печей работает на смеси природного
газа и мазута. Однако имеются еще небольшие мартеновские печи,
работающие на мазуте.
Шихтовые материалы (скрап, чугун, флюсы) загружают в печь
через завалочные окна 17. Разогрев шихты, сплавление и нагрев ме-
талла и шлака происходят при контакте плавящихся материалов с
факелом горящих газов. Готовую сталь выпускают через отверстие,
расположенное в самой низкой части подины печи. На время плавки
это отверстие забивают огнеупорной глиной.
Современные мартеновские печи имеют различную емкость и могут
принимать единовременную садку металла более 500 т. Более распро-
страненными являются печи емкостью 150—300 т.
Процесс плавки в мартеновских печах может быть кислым или ос-
новным. В первом случае подину, стенки и свод печи выполняют из
динасового кирпича. Верхние слои подины при ремонте наваривают
кварцевым песком. В процессе плавки образуется кислый шлак с
большим содержанием кремнезема (50 —55% SiO2). При основном про-
цессе подину и стенки печи выкладывают из магнезитового кирпича;
свод — хромомагнезитовый. Верхние слои подины наваривают маг-
незитовым или доломитовым порошком. В процессе плавки образуется
основной шлак (40—50% СаО).
В зависимости от исходных материалов также возможны разные
процессы плавки в мартеновских печах. На некоторых заводах (обычно
машиностроительных) плавку ведут на твердой шихте (чушковый чу-
гун, металлический лом и небольшое количество железной руды).
Такую плавку называют скрап-процессом.
На заводах с полным металлургическим циклом в мартеновскую
печь подают жидкий чугун (60%), металлические отходы (40%),желез-
ную руду и флюсы. Эту плавку называют скрап-рудным процессом.
При выплавке стали в мартеновских печах различают следующие
периоды: загрузки и плавления шихты, кипения металлической ванны
и доводки и раскисления металла.
Основной мартеновский процесс. Рассмотрим особенности выпла-
вки стали в мартеновской печи на твердой шихте (скрап-процесс).
Перед началом плавки определяют количество и вид шихтовых ма-
териалов (чушковый чугун, стальной скрап, известняк, железная ру-
да), а также последовательность их загрузки в печь. Шихту составля-
ют с таким расчетом, чтобы содержание углерода после расплавления
металла было на 0,6—0,8% больше заданного в готовой стали при
выпуске ее из печи.
Шихту загружают в печь в мульдах (специальных коробках) при
помощи напольной или подвесной завалочной машйны. В рабочем
пространстве печи мульду переворачивают на 180°, высыпая шихту на
подину.
В период загрузки и плавления шихты в печи частично окисляются
железо и фосфор, почти полностью кремний и марганец, а также обра-
2—545
33
зуется первичный шлак. Эти элементы окисляются сначала кислоро-
дом, содержащимся в печных газах и руде, а после образования пер-
вичного шлака закисью железа, растворенной в этом шлаке. Обычно в
первичном шлаке, покрывающем тонким слоем расплавленный металл,
содержится 10—15%FeO, 35—40% СаО, 10—15% МпО.
После образования шлака жидкий металл не контактирует с газа-
ми. Его примеси окисляются под слоем шлака закисью железа, которая
растворяется как в шлаке, так и в металле. При увеличении кон-
центрации закиси железа в шлаке одновременно возрастает концент-
рация ее в металле. Для поддержания в шлаке определенной концент-
рации закиси железа в печь добавляют руду, что сопровождается реак-
цией
FejOj (руды) + Fe (ванны) = 4FeO (шлака)	(2!)
Образующаяся закись железа распределяется между шлаком и ме-
таллом и окисляет в нем примеси по реакциям (15)—(19).
К концу расплавления шихты значительная часть фосфора перехо-
дит в шлак, так как последний содержит достаточное количество заки-
си железа и извести. Это обеспечивает развитие реакции (20).
Во избежание обратного перехода фосфора в металл перед началом
второго периода плавки около 40—-50% первичного шлака из печи
скачивают, добавляя одновременно известь для образования нового
более основного шлака. Тепловую нагрузку печи при этом увеличива-
ют для быстрого растворения извести в оставшемся первичном шлаке
и повышения температуры металлической ванны. Через 15—20 мин
после образования основного шлака в печь загружают некоторое ко-
личество железной руды. Это увеличивает содержание окислов же-
леза в шлаке и вызывает реакцию (19) окисления углерода в металли-
ческой ванне. Образующаяся окись углерода выделяется из металла
в виде пузырьков, вызывая его кипение.
В первую половину периода кипения в печь обычно добавляют же-
лезную руду. Кипение ванны способствует перемешиванию металла,
отделению от него неметаллических частиц и растворенных газов, а
также равномерному распределению температуры по глубине ваниы.
Общая продолжительность периода окисления углерода зависит от
садки мартеновской печи и марки выплавляемой стали и колеблется
в пределах 1,75—2,5 ч и более. Скорость выгорания углерода равна
0,4—0,65% в час.
Во вторую половину периода кипения, называемую чистым кипе-
нием, железную руду в ванну не загружают. Металл кипит мелкими
пузырьками благодаря накопленным в шлаке окислим железа. Ско-
рость выгорания углерода равна 0,2—0,4% в час. В период кипения
ванны наблюдают за шлаком, особенно за его основностью и жидкоте-
кучестью.
Когда содержание углерода в пробах металла получается несколь-
ко меньше, чем требуется для готовой стали, кипение ванны искусст-
венно прекращают, начиная период доводки и раскисления металла.
Для этого вводят определенное количество кускового ферромарганца,
содержащего 12% Мп, а через 10—40 мин — ферросилиция с 12—16%
34
Si. Эти ферросплавы раскисляют FeOs соответствии с реакциями
(15) и (16).
В результате содержание закиси железа в металле уменьшается и
окисление углерода приостанавливается. Внешним признаком рас-
кисления металла является прекращение образования пузырьков оки-
си углерода на поверхности шлака. Шлак становится спокойным.
В основной мартеновской печи частично удаляется сера из металла
(десульфурация) по реакции
FeS + СаО = CaS + FeO	(22)
Эта реакция протекает лучше при высокой температуре и большей
основности шлака. В частности, она хорошо развивается к концу пе-
риода кипения после введения в металл раскислителей.
В основной мартеновской печи можно выплавлять легированную
сталь многих марок. Для этого после раскисления металла в ванну до-
бавляют необходимые легирующие элементы (Си, Сг, Ni и др.) или со-
ответствующие ферросплавы (феррохром, ферротитан, ферромарга-
нец и др ).
Перед выпуском легированную сталь некоторое время выдерживают
в печи под слоем шлака для более равномерного распределения эле-
ментов по объему металла и некоторой его дегазации. Окончательное
раскисление стали производят алюминием на выпускном желобе печи
или в ковше.
Работа основной мартеновской печи при скрап-рудном процессе
отличается от работы при скрап-процессе порядком загрузки шихты.
При скрап-рудном процессе в печь после хорошего прогрева скрапа,
руды и известняка заливают по желобу жидкий чугун. Химические
реакции происходят так же, как и при скрап-процессе.
Кислый мартеновский процесс. Этот процесс состоит из тех же
периодов, что и основной, но требует применения шихтовых материа-
лов с минимальным количеством (менее 0,03%) фосфора и серы. Обра-
зующийся в печи кислый шлак не обладает свойством удерживать эти
вредные примеси стали.
Кислые мартеновские печи обычно работают при скрап-процессе
(доля скрапа составляет 30—50% массы металлической части шихты).
В шихте должно быть не более 0,6% Si, так как при высоком содержа-
нии кремния период кипения начинается позже. Железную руду в
шихту не добавляют, так как она может взаимодействовать с подиной
и разрушать ее с образованием легкоплавкого соединения 2FeO-SiOz.
Для образования первичного шлака в печь загружают некоторое коли-
чество кварцита или кислого мартеновского шлака.
После загрузки и нагрева шихты окисляются железо, кремний и
марганец, а также образуется кислый (до 40% SiOj первичный шлак.
В нем связана большая часть закиси железа, что затрудняет переход
ее из шлака в металл. В связи с этим кипение ванны происходит труд-
нее, чем восиовной печи. Кроме того, кислые шлаки имеют повышенную
вязкость, что отражается на скорости выгорания углерода.
Для интенсификации процесса кипения металла на поверхность
Шлака небольшими порциями подают железную руду (для увеличения
2*
35
доли окислов железа в шлаке) и хорошо обожженную известь (для
разжижения шлака). Первичный шлак, как правило, не удаляют, так
как он не содержит фосфора.
Поведение кремния и кремнезема в кислой печи имеет некоторые
особенности. Кремний во время расплавления шихты окисляется кис-
лородом, содержащимся в печных газах:
Si+O2 = SiO2	(23)
а после расплавления шихты — закисью железа шлака по реакции
(15). Эта реакция обратима: при умеренных температурах она идет
направо, а при высоких — может идти в обратном направлении.
Последнее наблюдается в конце плавки, когда температура металла и
шлака существенно повышается.
При высоких температурах и достаточном количестве углерода и
марганца в кислой печи возможны также реакции:
SiO2 + 2С = Si + 2СО	(24)
SiO2 + 2Мп = Si + 2МпО	(25)
В этих реакциях может участвовать кремнезем шлака и подины.
Восстановленный кремний оказывает раскисляющее действие на сталь
и обеспечивает получение очень плотного металла.
Технико-экономические показатели работы мартеновских печей.
Основные показатели — удельный расход топлива на 1 т выплавляе-
мой стали и съем стали в тоннах с 1 м2 пода печи в сутки.
Расход топлива зависит от многих факторов; состава ших-
ты, тепловой мощности печи и др. Необходимое количество тепла для
выплавки стали составляет 700—1400 ккал/кг (3—6 МДж/кг). В мар-
теновских печах необходимо сжигать условного топлива в количестве
10—20% массы выплавляемой стали.
Съем стали с 1 м2 пода печи получается путем деле-
ния суточной производительности на площадь пода печи, измеряемую
условно на уровне порогов рабочих окон. Средний съем стали на оте-
чественных металлургических заводах составляет около 9 т/м2; на от-
дельных заводах он достигает 10—14 т/м3. Развитие скоростных мето-
дов сталеварения позволяет поднять съем стали еще выше и способст-
вует дальнейшему увеличению производительности печей.
Важнейшим интенсификатором мартеновского процесса является
кислород. Обогащение воздуха кислородом позволяет повысить темпе-
ратуру факела пламени, увеличить его лучеиспускание, уменьшить ко-
личество продуктов горения и благодаря этому повысить тепловую мощ-
ность печи. Введение кислорода в факел пламени и ванну ускоряет
процесс плавки, увеличивая производительность печей на 25—30%.
Изготовление сводов из хромомагнезитовых кирпичей вместо ди-
насовых позволяет увеличить тепловую мощность печей, удлинить
межремонтный период в два-три раза и повысить производительность
на 6—10%.
Выплавка стали в двухванных мартеновских печах позволяет ис-
пользовать попеременно тепло соседней ванны за счет отдачи тепла
36
одной ванны другой. Когда в одной ванне готовую сталь выпускают,
в соседней только начинается процесс плавки. В одной ванне емкостью
250—300 т плавка идет всего два часа; каждые четыре часа получают
500—600 т стали. В то же время в мартеновских печах емкостью 600 т
плавка длится десять часов, т. е. производительность двухванной пе-
чи в два раза выше. При продувке ванны кислородом процесс еще боль-
ше ускоряется.
- Двухванный плавильный агрегат выплавляет в год 1—1,2 млн. т
стали. В настоящее время работает девять двухванных агрегатов
(на Магнитогорском металлургическом комбинате — пять, на Черепо-
вецком — два, на Запорожском — один, в Кривом Роге — один).
В настоящее время свыше 90% мартеновской стали в СССР произ-
водится в печах с автоматическим управлением их тепловым режимом.
В результате автоматизации достигаются экономия топлива (около
5%), повышение производительности (в среднем на 8 %) и увеличение
стойкости свода печи (примерно на 9%).
§ 3.	Производство стали в электропечах
Наиболее совершенные плавильные агрегаты — это электропечи,
в которых электрическая энергия превращается в тепло для нагрева
и расплавления металла.
Производство стали в электропечах имеет ряд преимуществ по
сравнению с другими способами выплавки стали. Так, в электропечах
можно получать температуру до 2000° С и расплавлять металл с высо-
кой концентрацией тугоплавких компонентов (хрома, вольфрама,
молибдена и др.); иметь высокоосновной шлак (до 55—60% СаО);
создавать восстановительную атмосферу или вакуум (индукционные
печи) и добиваться хорошего раскисления и дегазации металла.
Для выплавки стали применяют электропечи двух типов — дуго-
вые и индукционные. Дуговые печи особенно широко применяют в
металлургической промышленности.
Устройство дуговой электропечи. В этой печи (рис. 9) шихто-
вые материалы нагреваются и расплавляются теплом, излучаемым
тремя электрическими дугами* (по числу фаз переменного электричес-
кого тока).
Печь состоит из цилиндрического сварного или клепаного кожуха
Рсо сфероидальным днищем; подины с огнеупорной футеровкой и сте-
нок 8; съемного арочного свода 6 с отверстиями для электродов 5;
механизма 4 для закрепления и вертикального перемещения электро-
дов; двух опорных сегментов 10 для поддержки и перемещения печи по
направляющим фундамента //; механизма 3 для наклона печи при вы-
пуске стали по желобу 7. Электрический ток поступает от понижаю-
щего трансформатора 1, находящегося в отдельном помещении. Для
подвода тока к электродам использованы медные шины и гибкий ка-
бель 2.
* На рисунке видны только два электрода, третий не попал в сечение
37
Свод печи обычно выполняют из динасовых кирпичей, иногда из
хромомагнезитовых блоков. Подина печи может быть кислой или ос-
новной.
В печах применяют угольные и графитированные электроды. По-
следние оказывают меньшее сопротивление току и более устойчивы при
высоких температурах, но дороже угольных.
Рис. 9. Схема устройства дуговой электропечи емкостью 80 т
Во время плавки электроды сгорают, поэтому их приходится посте-
пенно опускать в печь и в случае надобности наращивать (свинчивать
с новыми электродами). Каждый из электродов зажат в контактных
щеках металлического электрододержателя, к которому подводится
электрический ток от вторичной обмотки печного трансформатора.
Первичная обмотка трансформатора питается током высокого напряже-
ния (6000—30 000 В), который преобразуется в ток низкого напряжения
(90—280 В) в зависимости от выбранной ступени напряжения. Мощ-
ность печного трансформатора зависит от емкости печи и способа плав-
ки. Расход электроэнергии в дуговых электропечах при работе на
твердой шихте составляет 2160—3420 МДж (600—950 кВт-ч) на I т
готовой стали.
Дуговые электропечи имеют емкость от 3 до 270 т* и более. На за-
* Б. А. Кузьмин. Технология металлов. «Высшая школа», 1971.
38
воде «Красный Октябрь» (Волгоград) работают две 200-тонные печи.
Проектируют и более мощные печи.
Технология выплавки стали в дуговых электропечах. В этих пе-
чах выплавляют углеродистую или легированную сталь главным об-
разом высококачественных марок.
В печах с основной футеровкой сталь выплавляют с окислением
углерода и других компонентов шихты или без окисления шихты
(метод переплава).
Технология выплавки стали с окислением
ши х т ы имеет очень много общего с технологией выплавки стали в
мартеновских печах скрап-процессом. После ремонта подины в печь
загружают шихту. Среднее содержание углерода в шихте должно быть
на 0,5—0,6% выше, чем в готовой стали. Избыток углерода выгорает из
расплавленного металла и обеспечивает хорошее кипение ванны.
На подину печи сначала загружают мелкий стальной скрап, а за-
тем более крупные куски шихты. Шихта в печи должна быть плотно
уложена; особенно плотно в том месте, где будут находиться элект-
роды. Загрузку печей малой (до 10 т) и средней (до 30 т) емкости произ-
водят через загрузочное окно мульдами или лотками, а печей большой
емкости — через открытый свод. После загрузки шихты электроды опус-
кают до соприкосновения с кусками металла. Под электроды предвари-
тельно прокладывают кусочки кокса для более плавного зажигания
дуг; затем включают ток от печного трансформатора и начинают плавку.
Процесс выплавки стали в дуговой электропечи состоит из двух пе-
риодов; окислительного и восстановительного. Во время окислитель-
ного периода шихта расплавляется. Из металла выгорают кремний,
марганец, фосфор, избыточный углерод, частично железо и некоторые
легирующие элементы (например, хром, титан). Окисление отдельных
элементов происходит по реакциям (15)—(22). В печи с основной футе-
ровкой фосфор удаляется из металла главным образом в первой полови-
не окислительного периода, пока ванна еще сильно не разогрелась. Об-
разовавшийся фосфористый шлак удаляют из печи на 60—70%. Для
наведения нового шлака в печь загружают свежеобожженную известь и
другие необходимые компоненты (железную руду, боксит, плавиковый
шпат, битый шамотный кирпич и т. д.). Через некоторое время в печи
завершается формирование шлака и начинается кипение ванны.
Во время кипения металлической ванны в течение 45—60 мин из
металла выгорает избыточный углерод; при этом удаляются растворенные
газы и неметаллические включения; одновременно отбирают на анализ
пробы металла и шлака. Основность шлака должна быть равна 2—2,5,
что необходимо для удержания в нем фосфора и создания достаточной
окислительной способности шлака при добавке железной руды.
После выгорания углерода из печи удаляют весь шлак, образовав-
шийся в окислительный период. Рели содержание углерода в металле при
кипении ванны понизилось больше, чем это требуется, то в печь вводят
битые графитовые электроды или кокс для науглероживания металла.
После этого наступает восстановительный период плавки.
В период плавки необходимо раскислить металл, перевести макси-
мально возможное количество серы в шлак, получить заданный хими-
39
ческий состав металла, подготовить металл к выпуску из печи.
Восстановительный период плавки в печах с основной футе-
ровкой проводится для сталей с низким содержанием углерода под белым
(известковым) шлаком, а для высокоуглеродистых сталей (С > 1 %)
под карбидным шлаком.
Для получения белого шлака в печь загружают первую шлаковую
смесь, состоящую из извести (80%) и плавикового шпата (20%). В ре-
зультате образуется слой шлака с достаточно высоким содержанием
FeO и МпО. Затвердевшие пробы шлака имеют темный цвет. Такой шлак
еще не может раскислять металл. Перед началом раскисления металла
впечь загружают вторую шлаковуюсмесь для понижения концентрации
окислов железа и марганца в слое шлака. Эту смесь обычно составляют из
хорошо обожженной извести (4—5 частей), плавикового шпата (1 часть),
молотого древесного угля и кокса (2—3 части). Через некоторое время
повышается основность шлака и понижается содержание в нем FeO и
МпО. Пробы такого шлака после затвердевания светлеют. Этот шлак
может раскислять металл. К концу восстановительного периода для уси-
ления раскисляющего действия белого шлака в печь загружают порошок
ферросилиция, в результате чего содержание FeO в шлаке понижается
до 1—1,5%.
Высокая основность белого шлака, куски древесного угля или кокса
на его поверхности и высокая температура в печах способствуют интен-
сивному переходу серы из металла в шлак по реакции (13).
Во время восстановительного периода в металл вводят необходимые
добавки, в том числе и легирующие элементы. Окончательное раскисле-
ние стали производят алюминием.
Выплавка стали под карбидным шлаком на первой стадии восстано-
вительного периода (до посветления затвердевших проб шлака) проис-
ходит так же, как и под белым шлаком. Затем в печь загружают карбидо-
образующую смесь, состоящую из кокса, извести и плавикового шпата в
пропорции 1 : 3 : 1. При высоких температурах около электрических
дуг происходит реакция взаимодействия извести с углеродом кокса:
СаО + ЗС = СаС2СО	(26)
Карбид кальция СаС2, образующийся по этой реакции, увеличивает
раскислительную и обессеривающую способность шлака. Для ускорения
образования карбида кальция в шлаке печь хорошо герметизируют.
Карбидный шлак содержит 55—65% СаО и 0,5—0,6% FeO и обла-
дает неуглероживающей способностью.
Способ плавки без окисления шихты (метод переплава) отличается
от предыдущего тем, что в шихте отсутствует железная руда и плавка
идет практически без кипения. Шихту обычно составляют из легирован-
ных отходов с низким содержанием фосфора (поскольку его нельзя
перевести в шлак) и близких по химическому составу к выплавляемой
стали. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10 —
15 % мягкого железа «0,1 % С), выплавленного в мартеновских печах.
При работе по методу переплава первичный (железистый) шлак
из печи не удаляют, так как из него в металл переходят дефицитные
легирующие элементы (хром, титан, ванадий).
40
Технико-экономические показатели производства электростали.
Рис. 10. Схема устройства индукцион-
ной высокочастотной печи
Улучшение этих показателей для дуговых электрических печей
зависит от их емкости, мощности трансформаторов, совершенства тех-
нологии, стойкости футеровки и организационных мероприятий. В на-
шей стране построены и работают электропечи емкостью 100 и 200 т
с трансформаторами соответственно 50—60 и 80—120 тыс. кВА. Расче-
ты показали, что в цехе с объемом производства 800 тыс. т стали повы-
шение мощности трансформа-
торов позволяет установить
4 печи вместо 5. При этом су-
щественно сокращаются капи-
тальные затраты на соору-
жение цеха и повышается
производительность труда.
Выход годной стали коле-
блется от 90 до 96 % от всей
металлической завалки. Рас-
ход электроэнергии при твер-
дой завалке составляет 800—-
950 кВт-ч электроэнергии на
1 т стали. Продувка кисло-
родом значительно уменьшает
этот расход (до 30%), сокра-
щает продолжительность пла-
вки и на 20—25% повышает
производительность печи.
Индукционные печи. Эти
печи существенно отличают-
ся от дуговых способом об-
разования тепла для распла-
вления металла. При прохо-
ждении переменного электрического тока через индуктор печи
образуется переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит го
вторичном контуре (обычно тигель с загруженным в него металлом)
переменные токи (токи Фуко), под действием которых металл нагрева-
ется и расплавляется.
Индукционные печи имеют емкости 50—10 000 кг. Выплавку стали
в этих печах обычно осуществляют по методу переплава. Угар легиру-
ющих элементов при этом незначителен.
Печь (рис-. 10) состоит из огнеупорного плавильного тигля и ин-
дуктора 8. Индуктор выполнен в виде катушки из медной трубки, по
которой циркулирует охлаждающая вода. Ток подается по гибким ши-
нам 7 через печные конденсаторы 6 от рубильника 4, находящегося па
щите управления 5. К пщту ток подается от пускателя I через преобра-
зователь 2 и конденсатор 3.
Необходимый для питания индукционной печи переменный ток по-
вышенной частоты вырабатывают в специальных машинных или лампо-
вых генераторах. Ток от генераторов к индуктору подводится по гиб-
41
кому кабелю или медным шинам. Обычно в индукционных печах ис-
пользуют ток частотой 500— 2500 Гц.
Плавильные тигли могут иметь кислую или основную футеровку.
Кислую футеровку изготовляют из молотого кварцита; связкой служит
порошок борной кислоты (до 1,5%). Основную футеровку изготовляют
из порошка хорошо обожженного плавленого магнезита; связкой мо-
жет быть борная кислота (3%).
Для формирования шлака в тигель загружают шлаковую смесь. Тем-
пература шлака в тигле ниже температуры металла, так как шлак об-
ладает весьма слабой магнитной проницаемостью и ток в кем практи-
чески не индуктируется. Под действием электромагнитных сил в тигле
происходит усиленная циркуляция металла, что ускоряет химические
реакции и способствует получению однородного металла.
Индукционные печи обычно применяют для выплавки высоколеги-
рованных сталей и сплавов особого назначения. Внутри печи легко
создать вакуум или регулируемую атмосферу из газов определенного
состава (например, водорода). Это позволяет использовать индукцион-
ные печи для плавки в вакууме или в нейтральной атмосфере.
Для совершенствования технологии плавки в электрических печах
предусматривается широкое использование кислорода с установкой
автоматизированных фурм, применение газокислородных горелок и
вдувание порошкообразных материалов. Современные электрические
печи оборудованы автоматическими установками для измерения тем-
пературы металла и устройствами для электромагнитного перемеши-
вания металла. Эти и другие меры существенно повышают качество
электростали.
§ 4.	Комбинированные способы производства стали
Речь идет о последовательной выплавке стали в двух плавильных
агрегатах (дуплекс-процесс). При этом возможны разные сочетания
этих агрегатов. Главным образом это основная и кислая мартеновские
печи, а также кислородный конвертор и основная мартеновская печь.
Реже используют основную мартеновскую и основную электропечь.
При сочетании кислородного конвертора с основной мартеновской
печью жидкий чугун сначала продувают в конверторе и полученный
полупродукт передают в основную мартеновскую печь для удаления
серы и фосфора и придания стали заданного химического состава.
В дуплекс-процессе «основная — кислая мартеновские печи» плав-
ка протекает в основной печи на обычной для этого процесса шихте.
Из жидкого металла удаляются фосфор, сера, кремний и марганец до
минимально возможного содержания. Затем жидкую сталь, содержа-
щую обычно 1,3—1,4% С (т. е. в количестве, достаточном для процесса
кипения), переливают в кислую печь для доводки и получения высоко-
качественной кислой стали.
Сочетание мартеновской печи с основной электропечью позволяет
уменьшить расход электроэнергии на расплавление и дефосфорацию
металла. В этом случае в мартеновской печи осуществляют плавление,
дефосфорацию и частичное кипение металла. Затем металл переливают
42
в электропечь для окончательного рафинирования, раскисления и ле-
гирования.
Комбинированные способы производства стали в некоторых случа-
ях выгодны и единственно возможны. Целесообразность применения
этих процессов определяется конкретными технико-экономическими
условиями работы металлургического завода. Сочетание основной мар-
теновской с основной электрической печью сокращает расход энергии
и позволяет получать сталь высокого качества.
§ 5.	Разливка стали
По степени раскисления сталь разделяют на спокойную, кипящую
и полуспокойную. При полном раскислении получается спокойная
сталь (весь кислород находится в связанном состоянии), а при непол-
ном раскислении — кипящая
сталь. При разливке кипящей
стали выделяется окись углеро-
да (сталь кипит в изложнице).
Полуспокойная сталь зани-
мает промежуточное положение
между кипящей и спокойной
сталями.
Готовую сталь выпускают
из печи в подогретый сталераз-
ливочный ковш (рис. 11).
Стальной кожух I ковша имеет
две цапфы 2, при помощи кото-
рых ковш, захватывается крюком
мостового крана. Внутри ковш
имеет огнеупорную футеровку
4 из шамотного кирпича. В дно
ковша встроен стакан 3 с отвер-
Рис. 11. Ковш для разливки стали
стием для- выпуска металла.
Отверстие в стакане закрывает-
ся огнеупорной пробкой, укрепленной на железном стержне 8
стопора 9. Подъем и опускание стопора производится вручную при
помощи рычага 7 и связанных с ним устройств 5 и 6.
Из ковша сталь разливают по чугунным изложницам для получения
слитков.
В зависимости от вида полученных слитков изложницы могут иметь
квадратное, круглое, прямоугольное или другое сечение. Высота из-
ложниц должна быть в пять шесть раз больше их поперечного разме-
ра. Для облегчения выемки слитков стенки изложницы имеют конус-
ность.
В сталеплавильных цехах отливают слитки массой от 100 кг до
100 т. Наиболее широко используют слитки массой 5—8 т, направ-
ляемые в прокатные цехи.
Применяют три способа разливки стали в изложницы: сверху (обыч-
но при отливке крупных слитков), сифоном (при отливке мелких и
43
средних слитков) и непрерывную разливку. При разливке стали сверху
(рис. 12,п) каждую изложницу заполняют сталью отдельно. При этом
отверстие стакана ковша должно бытьустановлено по центру изложни-
цы. При сифонной разливке (рис. 12,6) сталь из ковша 1 поступает в
центральный стояк 2 и отводится из него в несколько изложниц 4
по литниковым каналам 5, расположенным в поддоне 6.
Рис. 12. Разливка стали в изложницы:
а — сьерху: б — снизу (сифоном)
Сталь, разлитая сверху, имеет меньше неметаллических включений,
чем сифонная. Однако последняя получается с более чистой поверх-
ностью.
При затвердении стали в изложнице происходит усадка металла.
В первую очередь затвердевают слои металла, прилегающие к стенкам
изложницы. Внутренняя часть слитка некоторое время после запол-
нения остается жидкой. Там, где металл дольше находится в жидком
состоянии, образуется усадочная раковина (обычно по оси слитка,
ближе к его головной части).
Усадочную раковину в слитке можно несколько уменьшить, если
замедлить охлаждение стали в верхней части изложницы. Для этого
применяют прибыльные надставки 3 (см. рис. 12), футерованные из-
нутри огнеупорными материалами. Сталь в надставке затвердевает в
последнюю очередь. Это способствует уводу усадочной раковины в
головную часть слитка.
В некоторых случаях металл, находящийся в надставке, искусствен-
но подогревают газовой горелкой или вводят в нее небольшое количест-
во термитной смеси. Эти мероприятия способствуют уменьшению объема
усадочной раковины и увеличению выхода годной стали.
При непрерывной разливке стали получается большая экономия
металла, а также увеличивается производительность труда и Снижается
44
себестоимость производства (рис. 13). Сталь из ковша 7 непрерывной
струей поступает в промежуточное устройство 8 и далее в охлаждаемые
проточной водой кристаллизаторы 6. В каждый из кристаллизаторов
снизу закладывают стальную затравку. При соприкосновении с за-
травками и со стенками кристаллизатора начинается быстрое затвер-
девание жидкого металла. При этом металл приваривается к затравке
и вместе с ней вытягивается из кристаллизаторов роликами 9 и 10.
Рис. 13. Схема установки для непрерывной разливки стали через
два кристаллизатора
Затвердевание формируемого непрерывного слитка усиливается при
проходе его через зону вторичного охлаждения водой 5 и йЬздухом 4.
Окончательно затвердевший слиток направляется к тележкам га-
зорезки 3. Опускаясь вместе с тележками, слиток разрезается на мер-
ные длины и по транспортеру 2 через приемный стол 1 поступает на
склад.
§ 6.	Способы повышения качества стали
Хотя содержание кислорода, азота и водорода в стали незначитель-
но, они отрицательно влияют на ее прочностные, физико-химические
и технологические свойства. Указанные примеси могут присутствовать
в виде хрупких неметаллических включений (нитриды, окисли
45
и др.) или в газообразном состоянии в различных несплошностях.
Выплавка и разливка стали в вакууме уменьшает содержание газов в
стали.
В непечное вакуумирование разделяется на 4 основных вида: ваку-
умирование в ковше, вне ковша, в струе металла и в изложнице.
При первом способе ковш с металлом помещают в герметичную ка-
меру, из которой непрерывно удаляют воздух и газ. Остаточное дав-
ление составляет 0,1—1 мм рт. ст.
Выделяющиеся газы вызы-
вают «кипение» и способствуют
перемешиванию стали. В ре-
зультате такого вакуумирова-
ния содержание водорода сни-
жается до 0,00015%, а кисло-
рода и азота уменьшается в
два раза.
Вакуумирование в ковше
обычно проводят перед разлив-
кой стали по изложницам.
При вакуумировании вне ков-
шасталь из ковша поступает в
резервуар с внутренней огнеу-
порной футеровкой, в котором
происходит не только вакууми-
рование, по и подогрев металла,
что позволяет увеличить вре-
Рис. 14. Установка для непрерыв-
ного вакуумирования стали
мя выдержки под вакуумом, не опасаясь охлаждения стали. После де-
газации сталь выливают обратно в ковш. Остаточное давление в камере
от 0,1 до 1 мм рт. ст.
Вакуумирование в струе получило более широкое распространение,
чем в ковше. Внутри герметичной камеры установлен разливочный
ковш, в который сталь поступает из раздаточного ковша. Разливку по
изложницам ведут на воздухе. В результате такой обработки содер-
жание кислорода снижается на 70%, водорода на 65%. Существу-
ет много разновидностей этого способа вакуумирования.
Вакуумирование в изложнице проводят при застывании в ней стали.
Для этого на изложницу устанавливают вакуумную камеру, на нее
промежуточный ковш (дозатор), дно которого сделано из легкоплавко-
го материала. Жидкая сталь расплавляет диск дна, которое закрыва-
ет отверстие в верхней части камеры и сталь, проходя через вакуумную
камеру, попадает в изложницу. Содержание водорода уменьшается в
4—5 раз (до 0,0001%), кислорода на 60%.
В настоящее время разработаны новые методы вакуумной обработки
металла, сочетающие непрерывную разливку с вакуумированием (рис.
14).
Жидкая сталь из промежуточного устройства 1 всасывается по па-
трубку 2 в футерованную вакуумную камеру 3 и сливается по патрубку
в другое промежуточное устройство 8, из которого ее можно разливать
непосредственно в изложницы, в ковш или в кристаллизатор установки
46
непрерывной разливки. Перед вакуумированием камеру и футеровку
5 нагревают до максимально допустимой температуры при помощи го-
релки 5. После разогрева горелку отводят и камеру герметизируют:
патрубок 2 закрывают легкоплавким диском, а патрубок 8 — жидким
стеклом. Воздух и газы отсасывают через трубу 7. Промежуточные уст-
ройства устанавливают в рабочее положение при помощи плунжеров 9.
Для наблюдения за процессом имеется глазок 6. По окончании вакууми-
рования в камеру подают азот, вытесняя из нее остатки металл а и пред-
отвращая образование взрывоопасной газовой смеси.
§ 7.	Строение стального слитка
При затвердевании жидкой стали в изложнице строение ее получа-
ется неоднородным (рис. 15). Рассмотрим кристаллизацию в изложнице
спокойной, хорошо раскисленной стали. Сталь разливают по излож-
ницам при 1540—1560° С. При этом она соприкасается с относительно
холодным днищем и стенками изложницы, вследствие чего очень быст-
ро охлаждается. В местах соприкосновения образуется относительно
тонкий слой мелких, различно ориентированных кристаллов (на рис.
15 зоны 10 и 5).
Образующийся между слитком и изложницей воздушный зазор
замедляет дальнейшее охлаждение жидкой стали внутри слитка. При
этом появляются крупные кристаллы, ориентированные в направлении,
перпендикулярном охлаждающей поверхности изложницы. Здесь об-
разуются зоны вытянутых столбчатых кристаллов 7 и 6, которые зани-
мают несколько наклонное положение по отношению к стенке в зоне 8.
Отдача тепла в центральной зоне 9 слитка происходит в различных на-
правлениях, поэтому кристаллы располагаются беспорядочно, с произ-
вольной ориентировкой главных осей. В головной части слитка обра-
зуется усадочная раковина 2, закрытая мостиком / затвердевшего ме-
талла. Ниже ее размещаются газовые раковины 3 и усадочная рых-
лость 4.
Строение слитка зависит от температуры металла в момент разлив-
ки, скорости разливки, температуры изложницы и толщины ее стенок,
химического состава стали, способа ее раскисления и ряда других фак-
торов.
Основными дефектами слитка являются усадочная раковина и рых-
лость, неравномерное распределение (ликвация) элементов по се-
чению слитка, неметаллические включения, газовые пузыри, ракови-
ны, трещины и др.
Образование усадочной раковины и рыхлости в верхней части слитка
спокойной стали объясняется различием удельных объемов стали в
жидком и твердом состояниях.
Ликвация в слитке является следствием непрерывного обогащения
жидкой фазы примесями при переходе стали в твердое состояние. Лик-
вации в большей степени подвержены углерод, сера, фосфор и в мень-
шей другие примеси. Неметаллические включения и микроскопические
газовые пузыри также неравномерно распределяются по объему
слитка.
47
Рис. 15. Схема строения
стального слитка
Неметаллические включения попадают в сталь вследствие разъеда-
ния огнеупорной футеровки печи, желоба и ковша. Они образуются
также при раскислении стали марганцем, кремнием и алюминием; в
металл могут также попадать и задерживаться частицы шлака. Хими-
ческий состав неметаллических включе-
ний может быть разнообразным (сульфи-
ды железа и марганца, закись железа, за-
кись марганца, силикаты). Неметалличес-
кие включения в стали ухудшают ее качест-
во.
Газовые раковины в слитке возникают
вследствие уменьшения растворимости га-
зов при переходе металла из жидкого сос-
тояния в твердое. Во время плавки жид-
кий металл в известной мере насыщается
газами — водородом, азотом, кислородом
и др. При затвердевании стали в излож-
нице избыточное количество газа выделяет-
ся и частично остается в слитке в виде
пузырей, располагающихся у поверхности
или внутри слитка.
Присутствующие в газовых пузырях
водород и окись углерода могут также
образоваться в жидкой стали, если она
была недостаточно раскислена. Так, при
взаимодействии растворенных в стали за-
киси железа и углерода образуется окись
углерода. Эта реакция особенно сильно
развивается во всем объеме металла при
разливке кипящей стали, которую не
раскисляют в печи и в ковше. Выделив-
шаяся окись углерода собирается в виде
газовых пузырей на глубине не менее 15—
25 мм от поверхности слитка. Газовые пу-
зыри в слитке кипящей стали легко зава-
риваются при горячей прокатке. Усадочная
раковина и ликвация примесей в слитке
кипящей стали выражены слабо.
Влияние некоторых элементов на свойства стали. Соответствен-
но изменению структуры изменяются и свойства стали. Чем больше
углерода встали, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность.
Механические свойства стали зависят также от формы и размеров час-
тиц феррито-цементитпой смеси. Чем дисперсией (тоньше и меньше)
частицы этой смеси, тем выше твердость и прочность стали. Цементит
зернистой формы по сравнению с пластинчатой при одинаковой твер-
дости обладает более высокой пластичностью.
С повышением содержания углерода в стали ухудшаются сваривае-
мость и улучшается обрабатываемость резанием, повышается хладно-
ломкость, закаливаемость и чувствительность к старению и перегреву,
48
снижается устойчивость стали против коррозии в атмосферных усло-
виях.
Сера и фосфор являются вредными примесями в стали*, так как
ухудшают пластичность и вязкость. Сера придает стали краснолом-
кость, т. е. большую хрупкость при высоких температурах. Фосфор
вызывает хладноломкость, проявляющуюся в склонности образовывать
трещины при нормальной и, особенно, низких температурах.
Глава IV
ПРОИЗВОДСТВО НЕКОТОРЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Цветная металлургия — одна из ведущих отраслей промышлен-
ности. По объему производства цветных металлов СССР практически
полностью обеспечен собственными ресурсами.
Руды цветных металлов значительно беднее железных. Последние
считаются рентабельными для переработки, если содержат 40% желе-
за и более; медные же, например, экономически выгодны уже при со-
держании 0,5—2,0% меди. Если для получения 1 т чугуна требуется
добыть 3—4 т руды, то для получения 1 т меди необходимо доставить
иа обогатительные фабрики 120—150 т сырья.
Руды цветных металлов, как правило, полиметаллические, т. е.
додержат одновременно несколько металлов. Технология переработки
таких руд требует извлечения из них всех цветных металлов.
Мы рассмотрим производство только алюминия, магния, меди и
титана, играющих важную роль в строительной индустрии.
§ 1.	Производство алюминия
Алюминиевая промышленность была создана за годы Советской влас-
ти, так как получение алюминия требует мощной энергетической базы,
которой дореволюционная Россия не располагала. Реализация ле-
нинского плана ГОЭЛРО позволила, в частности, построить предприя-
тия по производству алюминия и магния.
Алюминий относится к группе легких цветных металлов. После
кислорода он является самым распространенным элементом в природе.
Добывают алюминий из горных пород с высоким содержанием глинозе-
ма (боксита, каолина, нефелина, алунита).
Бокситы — основное сырье для получения алюминия — содержат
30—50% А1гО3, 3—13% SiO2, 2 —4% TiO2 и 10—18% гидратной вла-
ги. Рудными минералами бокситов являются гидраты окиси алюминия
А12О3- Н2О и А1гО3- ЗН2О. Основные месторождения бокситов в СССР
находятся на Урале, в Сибири и на Кольском полуострове.
Богатые глиноземом каолиновые глины содержат алюминий в сос-
таве минерала каолинита А1гО3- 2SiO2- 2НгО. Каолиновые глины весь-
* За исключением немногих частных случаев (например, автоматная сталь).
49
ма распространены в природе, но получать из них алюминий сложно
из-за присутствия значительного количества кремнезема.
В производстве алюминия различают три технологических процес-
са: получение чистого глинозема из алюминиевых руд; получение пер-
вичного алюминия электролизом глинозема из расплавленного крио-
лита; рафинирование первичного алюминия хлором.
Получение чистого глинозема. Чистый глинозем получают из
алюминиевых руд щелочным, кислотным, электрометаллургическим и
комбинированным методами. Выбор метода зависит от состава примесей
руды. Руду, содержащую незначительное количество кремнезема и
большое количество окиси железа (высокосортные бокситы), лучше об-
рабатывать в щелочах. При этом кремнезем растворяется, а окись же-
леза легко отделяется. Руду с большим количеством кремнезема и незна-
чительным количеством окиси железа (каолиновые глины) надо пере-
рабатывать в кислотах. При этом растворяется окись железа и не раст-
воряется кремнезем. Руду с большим количеством и кремнезема, и оки-
си железа следует подвергать электрометаллургической или комбини-
рованной обработке — предварительной выплавке ферросилиция с
переводом глинозема в шлак.
При обработке алюминиевых руд щелочами глинозем можно полу-
чить мокрым щелочным способом или способом спекания. Предвари-
тельно надо получить растворимое в воде химическое соединение (алю-
минат натрия А12О3- Na2O), которое при 45—50° С разлагается с выде-
лением из раствора кристаллического осадка — гидрата окиси алю-
миния. Последний тщательно промывают, сушат и прокаливают для
отделения гидратной влаги:
2А1(ОН)3 = А1гО3 + ЗН8О	(27)
В результате этой реакции получают готовый продукт — чистый,
сухой глинозем.
При мокром щелочном (автоклавном) способе боксит сначала сушат
при 200° С, а затем размалывают в шаровых мельницах. Размолотый
боксит поступает в автоклавы (закрытые сосуды) с концентрированной
щелочью, где выдерживается 3—4 ч при 150° С и избыточном давлении
0,5—0,7 Мн/мг. В автоклаве происходит реакция
А1аОэ • НгО -I- 2NaOH А12О3  Na2O + 2Н2О (28)
Образующийся алюминат натрия переходит в водный раствор, а
окись железа, двуокись титана и другие примеси руды, не растворимые
в щелочах, выпадают в осадок (красный шлам) и его отфильтровывают.
Часть кремнезема также переходит в состав красного шлама, образуя
нерастворимое соединение си ли ко алюмин ат натрия; другая часть крем-
незема растворяется в щелочи
SiO± + 2NaOH = Na2O • StOs + Н2О	(29)
и переходит в водный раствор, загрязняя его кремнием.
Отделенный от красного шлама крепкий раствор щелочи с алюмина-
том натрия поступает в большие чаны, где разбавляется водой и под-
вергается гидролизу при 40° С. Для этого в чан с раствором загружают
50
затравку (небольшое количество свежеосажденного кристаллического
гидрата окиси алюминия), действующего как катализатор по реакции
А12О8 • Na2O + 4НгО = 2AI(OH)S + 2NaOH	(30)
Гидрат окиси алюминия отфильтровывают, промывают и прокали-
вают до получения А12О3 по реакции (27).
При сухом щелочном способе (спекании) измельченный боксит сме-
шивают с технической содой и подвергают спеканию при 800—1000° С.
В этих условиях алюминат натрия получается в твердом виде по реак-
ции
А13О3 + Na2CO3 = ALA ‘ Na2O + СО2	(31)
а затем выщелачивается водой в раствор.
При обжиге шихты наряду с Al2O3NaaO образуются нежелатель-
ные соединения Fe2O3-Na2O и TiO2-Na2O. Во время выщелачивания
продуктов обжига в горячей воде (90—95° С) эти соединения образуют
осадок (красный шлам) и легко отделяются от светлого водного раст-
вора алюмината натрия. Этот раствор продувают углекислым газом.
При этом происходит реакция
К’а2О • А1аО3 + СО2 + ЗН2О = 2А1(ОН)3 ~ Ка.,СО3
(32)
в результате которой в осадок выпадает А1(ОН)3. Осадок промывают
водой, высушивают и прокаливают до получения А12О3.
При кислотном методе обработки руду растворяют в серной или
бол я ной кислоте. Образующиеся при этом соли алюминия подвергают
дальнейшему химическому
воздействию: из их растворов
осаждают А1(ОН)3, прокали-
ваемый до получения глино-
зема.
Электролиз глинозема.
Чистый глинозем имеет вы-
сокую температуру плавле-
ния и представляет очень
прочное химическое соедине-
ние алюминия с кислоро-
дом, которое нельзя вос-
становить до металла угле-
родом, водородом или окисью
углерода даже при высоких
температурах.
Для получения металли-
ческого алюминия исполь-
Рис. 16. Схема устройства электролиз-
ной ванны для получения алюминия
зуют электролиз глинозема в жидком электролите (расплавленный
криолит — фторид алюминия и натрия Na3AlF<j). Криолит имеет
более низкую температуру плавления, чем глинозем, и способен его
растворять.
Для электролиза глинозема применяют электролизные ванны или
электролизеры (рис. 16). Кожух 8 ванны изготовлен из листового желе-
51
за. Подину и стены ванны выкладывают из углеродистых блоков
9. В подину ванны вмонтированы толстые медные шины 10, соединен-
ные с отрицательным полюсом источника тока. К медным шинам 1 с
помощью стальных стержней 3 подвешивают аноды 2 (угольные элект-
роды), соединенные с положительным полюсом источника тока.
Перед началом электролиза на подину ванны насыпают тонкий
слой молотого кокса, затем к нему подводят угольные электроды и
пропускают ток. Когда угольная футеровка ванны накалится докрасна,
в ванну постепенно загружают криолит и расплавляют его при мед-
ленном подъеме электродов. После получения в ванне слоя расплавлен-
ного криолита 6 (глубиной 200—250 мм) в нее загружают глинозем 4.
Под действием постоянного электрического тока в расплавленном
криолите развивается реакция
Na3A IFe = 3Na* + AlFe-	(33,
Растворяющийся в криолите глинозем также диссоциирует
А12О8 = А13+ + А1Оз“	(34)
Образующиеся в результате положительно заряженные ионы алю-
миния переносятся электрическим током к угольной подине — катоду
ванны, на котором выделяется металлический алюминий
АР+ _|_ зе = А|	,	(35)
Анионы А13+ переносятся током к угольному электроду (аноду), где
в результате анодного процесса выделяется газообразный кислород и
образуется глинозем
2А10з~~ — бе = А12О3 + 1,5О2	(36)
Образующийся на аноде кислород при температуре электролиза
930—1000° С частично окисляет материал угольных электродов.
Возникшие в результате реакции (33) положительно заряженные
ионы Na+ и отрицательно заряженные ионы AlFf также переносятся
электрическим током, но не участвуют в первичных разрядах, так как
имеют иные, чем А13+ и AIFg , потенциалы выделения на электродах.
Жидкий алюминий 7 (см. рис. 16) постепенно собирается подслоем
криолита 6 на подине ванны, откуда его выбирают сифоном через
каждые трое-четверо суток работы ванны. По периметру ванны обра-
зуется твердая корка электролита 5.
Электролизные ванны соединяют последовательно в серии по
80—100 шт. Работают они при напряжении 4—4,3 В и токе 40 000—
100 000 А.
На получение 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема;
0,1 т криолита; 0,6 т угольных электродов (анодов) и 60—65 МДж
электроэнергии.
Рафинирование первичного алюминия. Первичный электролитичес-
кий алюминий содержит ряд примесей. Обычно алюминий очищают от
них путем продувки его хлором в закрытом ковше емкостью 1200—
1300 кг при 750—770°С в течение 10—15 мин. После этого металл
52
разливают в формы для получения чушек. Некоторое количество пер-
вичного алюминия после дополнительной переплавки в электропечах
разливают в изложницы. Получаемые слитки прокатывают в листы.
Для более полного удаления растворенных в алюминии примесей
иногда применяют электролитическое рафинирование, при котором
загрязненный алюминий служит анодом и подвергается растворению,
а чистый алюминий — катодом. Между чистым и загрязненным алю-
минием находится слой электролита из безводных хлористых и
фтористых солей. При таком рафинировании получают металл, содер-
жащий до 99,9% А1.
§ 2.	Производство магния
Магний также относят к группе легких цветных металлов. По за-
пасам в земной коре он занимает третье место среди металлов. Для
производства магния используют магнезит MgCO3, доломит MgCO3x
хСаСО3, карналлит MgCk-KCl6-Н2О и бишофит MgCls-6H2O.
Многочисленные соленые озера (Сакское, Сивашское и др.), нахо-
дящиеся на территории СССР, содержат в растворе 0,83—0,89% Mg.
Неисчерпаемый источник для производства магния — морская вода
(в 1 кг воды содержится I г магния).
Технология получения магния состоит из двух основных процессов;
предварительной подготовки сырья и электролиза безводного хлорис-
того расплавленного магния в электролите или восстановления окиси
магния термическим способом.
Электролиз протекает в специальных ваннах, предотвраща-
ющих попадание хлора в атмосферу цеха и паров воды из воздуха в
ванну (вода разрушает хлорид магния).
Электролитом служат расплавленные хлористые соли калия, нат-
рия, кальция и магния. Электролиз протекает при 700—750° С. Ано-
ды (графитовые пластинки сечением 100 X 200 мм) соединяют с поло-
жительным полюсом, а катоды (стальные листы) — с отрицательным
полюсом. В электролизной ванне циркулирует электролит, примерный
состав которого: 7—15% MgCl2, 38—42% CaCL, 17—25% NaCl, 22—
30% КС1.
В процессе электролиза хлорид магния разлагается. В прикатодном
пространстве ванны выделяется магний, а в анодном — хлор. Магний,
как менее плотный, находится на поверхности электролита. Магний
по шлангам перекачивают в вакуумный котел, а хлор отсасывают через
хлоропровод. Окись магния и частично восстановленное железо осе-
дают на дно ванны в виде шлама, откуда его удаляют черпаками;
отработанный электролит удаляют через лейку вакуумными устройст-
вами.
На 1 кг металлического магния при электролизе хлористого маг-
ния выделяется 2,9 кг хлора. Для получения 1 кг магния расходуется
4,5 кг обезвоженного хлорида магния, или около 10 кг искусственно-
го карналлита (естественного карналлита около 12 кг).
Полученный магний рафинируют переплавкой с флюсом или воз-
гонкой. Рафинированный металл содержит до 99,9% Mg.
53
В последнее время металлический магний получают также тер-
мическим методом, восстановляя окись магния углеродом,
кремнием или карбидом кальция при высокой температуре и относи-
тельно глубоком вакууме. Магний, полученный термическим спосо-
бом, также подвергают рафинированию.
§ 3.	Производство меги
Медь получают из сульфидных и окисленных медных руд. Около
80% меди добывают из сульфидных руд и примерно 20%— из окисных.
Более высокое сродство меди к сере, чем меди к кислороду, отразилось
на процессах образования рудных минералов меди.
Из сульфидных медных руд наиболее распространен медный кол-
чедан, содержащий минерал халькопирит CuSFeS. В некоторых слу-
чаях применяют так называемый медный блеск, содержащий минерал
халькозин Cu2S. Окисные медные руды содержат куприт Си2О.
Обогащение медных руд. Все медные руды очень бедны (1—5%
Си). Перед плавкой их обогащают методом флотации. Руду
сначала измельчают в шаровых мельницах до кусков размерами 0,05—
0,5 мм, а затем добавляют к ней некоторое количество (100—300 г/т)
флотационных реагентов, способствующих образованию на поверх-
ности частиц плохо смачиваемой водой пленки. Подготовленную руду
загружают во флотационную машину, в которой образуется пульпа.
Пульпу продувают воздухом. При этом мелкие частицы рудных мине-
ралов прилипают к пузырькам воздуха и всплывают, образуя пену
на поверхности воды. Пену непрерывно удаляют из машины. После
фильтрации и сушки пены образуется медный концентрат. Частицы
пустой породы хорошо смачиваются водой и оседают па дно машины,
образуя так называемые хвосты.
Флотацией перерабатывают бедные сульфидные медные руды в
концентрат, содержащий 15—20% Си. Медный концентрат и богатые
сульфидные медные руды перед плавкой подвер! аот окислительному
обжигу при 600—900° С. При этом значительная часть серы удаляется
в виде сернистого газа, используемого для производства серной кис-
лоты.
Получение черновой меди. После окислительного обжига сульфид-
ная медная руда и концентрат поступают в шахтные или пламенные
печи для приготовления из них штейна (сплава, состоящего в основ-
ном из сульфидов меди и железа с небольшим количеством других
примесей). Штейн обычно содержит 30—50% Си, 40—20% Fe и 25—
22% S. Температура плавления штейна 950—1000С.
Расплавленный штейн служит исходным продуктом для получения
черновой меди. Штейн заливают в горизонтально расположенный ци-
линдрический конвертор (рис. 17) и продувают воздухом. Кожух 5
конвертора выполнен из стали. Днища 10 конвертора плоские, арми-
рованные балками. Кожух опоясывают двумя массивными обедами 2,
из которых каждый опирается на две пары роликов 9. Ролики за-
креплены в опорных кронштейнах 7 фундамента 8.
54
Поворот конвертора осуществляется электрическим приводом 6,
связанным зубчатым зацеплением с одним из ободов кожуха. Для
заливки в конвертор штейна, слива шлака и выпуска черновой меди
имеется горловина 11. В одной из торцовых стенок конвертора сделано
отверстие, в которое вставлена воронка 1 для пневматической загруз-
ки молотого кварцита во время плавки. Сжатый воздух через воздухо-
провод 4 поступает в фурмы 5, расположенные по образующей кон-
вертора. Футеровку 12 конвертора выполняют из магнезитового кир-
пича.
Рис. 17. Конвертор для продувки сверху:
с — общий вид; б — поперечный разрез
Процесс выплавки черновой меди из штейна состоит из двух пери-
одов. Во время первого периода плавки кислород воздуха почти пол-
ностью выжигает из штейна железо и частично медь. Процесс окисле-
ния железа происходит по реакции
FeS + 1,5Ог = FeO + SO.,	(37)
Образующаяся закись железа всплывает и ошлаковывается за-
груженным ранее в конвертор кварцем
2FeO + SiO2 = (FeO)2  SiO2	(38)
Экзотермические реакции (37) и (38) сопровождаются выделением
большого количества тепла, служащего источником разогрева ванны
при продувке ее воздухом. Железистый шлак первого периода удаля-
ют из конвертора, после чего во втором периоде продувки происходит
экзотермическая реакция окисления полусернисгой (сернистой за-
кисной) меди.
Си 2S -f- 1,502 — Cu.2O Н- S02
(39)
55
Образующаяся закись меди растворяется в расплаве и взаимо-
действует с полу серн истой медыо.
2СигО + Cu2S = 6Cu + SO2	(40)
образуя металлическую медь. Реакция (40) в отличие от реакций (37)—
(39) происходит с поглощением тепла и требует хорошего разогрева
ванны.
Полученную черновую медь разливают в плоские изложницы на
ленточной разливочной машине. В черновой меди в среднем содержит-
ся: 98,5—99,5% Си; 0,3—0,5% S; 0,03—0,1 % Fe; до 1% О2; 0,3—0,5%
Ni; следы As, Pb, Sb и благородных металлов.
Рафинирование меди. Черновую медь очищают от примесей огне-
вым способом, а затем электролитически.
При огневом рафинировании черновую медь загружают в пламенную
печь емкостью до 250 т и расплавляют в окислительной атмосфере.
В этих условиях из меди удаляются и переходят в шлак только те
примеси, которые обладают большим сродством к кислороду,
чем медь.
Для ускорения процесса рафинирования в ванну с расплавленной
медью подают сжатый воздух. Порядок окисления примесей (алюми-
ния, кремния, марганца, олова, железа, мышьяка, сурьмы, свинца)
зависит от температуры процесса и концентрации их в жидком метал-
ле. Большинство примесей в виде окислов переходит в шлак XFe2O3;
А1гОз, SiO2), но некоторые примеси при рафинировании меди удаляют-
ся из печи с газами в виде паров. Благородные металлы при огневом
рафинировании меди полностью в ней остаются.
При продувке воздухом, естественно, окисляется и медь, погло-
щающая много кислорода, что резко ухудшает ее качества. Поэтому
перед выпуском из печи металл раскисляют и перемешивают сырыми
березовыми шестами для удаления растворенных в нем газов. Древе-
сина обугливается и из нее выделяются водяной пар и продукты сухой
перегонки. Это способствует удалению из металла растворенных га-
зов и раскислению меди:
Сп2О -г СО = 2Сп + СО2	(41)
Си2О + Н2 = 2Си 4- Н2Опар	(42)
В результате медь становится более плотной. Из нее получают слит-
ки или плиты, предназначенные для электролитического рафиниро-
вания.
Электролитическое рафинирование обеспе-
чивает более высокую степень очистки меди и лучшее извлечение при-
месей благородных металлов. Рафинирование осуществляют в ваннах
со стенками, футерованными свинцом или другим защитным материа-
лом.
Электролит состоит из водного раствора серной кислоты (10—16%)
и определенного количества медного купороса. В электролит опуска-
ют анодные плиты из меди, содержащей примеси, и катодные листы
из электролитической меди. При пропускании через электролит пос-
S6
тоянного тока происходит электролиз: анодные плиты растворяются
в ванне, а на катодных листах оседает чистая медь. Находящиеся в
меди примеси благородных металлов выпадают на дно ванны в виде
остатка (шлама).
Осаждение чистой меди на катоде продолжается 10—12 дней.
Расход электроэнергии на электролитическое рафинирование 1 т
меди составляет 900—1200 МДж при плотности тока 100—300 А/м2,
силе тока 10 000 А и напряжении 100—200 В.
§ 4.	Производство титана
Титан — один из наиболее распространенных в земной коре ме-
таллов. Благодаря высокой коррозионной стойкости, малому удель-
ному весу и высоким механическим свойствам титан широко применя-
ют в технике. В природе известны многие титановые минералы, но
промышленное значение имеют только FeO-TiOz (ильменит), ТЮг
(рутил), CaO-SiO2-TiO2 (титанит) и др.
В Советском Союзе широко распространены сложные железо-тита-
новые руды, содержащие ильменит с магнетитом и гематитом. Содер-
жание двуокиси титана в них находится в пределах 5—16%. После ме-
ханического и электромагнитного обогащения руды получают ильме-
нитовый концентрат, содержащий 40—45% рутила (TiOg). Окислы
титана переводят в тетрахлорид титана TiCl4, из которого получают
металлический титан.
Тетрахлорцд титана получают путем восстановления и хлориро-
вания рутила:
TiO2 + 2С1а + 2С = TiCl4 + 2СО	(43)
Рутил смешивают с коксом и размалывают. В качестве связующего
добавляют каменноугольный пек. Смесь прокаливают в печи для уда-
ления летучих. Полученную пористую твердую массу долбят, брике-
тируют и направляют в установку для хлорирования при 800° С.
Восстановить тетрахлорид титана можно водородом, натрием и
магнием. Восстановление тетрахлорида титана водородом осущест-
вляют в электропечи при температуре около 2000е'С:
TiCl4 + 2Н2 = Ti 4- 4НС1	(44)
Полученный металл содержит большое количество растворенного
водорода. Для удаления водорода применяют вакуумную обработку
металла.
Раздел второй
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Глава V
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Основоположником отечественной науки о металлах является
великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711—1765)— один из
образованнейших людей своего времени.
Основы современного металловедения были заложены выдающими-
ся русскими металлургами П, П. Аносовым (1799 — 1851) и
Д. К- Черновым (1839—1921), впервые установившими связь между
строением и свойствами металлов и сплавов.
П. П. Аносов заложил основы учения о стали, разработал науч-
ные принципы получения высококачественной стали, впервые в мире
в 1831 г. применил микроскоп для исследования строения металлов.
Д. К- Чернов продолжил труды П. П. Аносова. Он по праву счи-
тается основоположником металлографии — науки о строении метал-
лов и сплавов. Его научные открытия легли в основу процессов ковки,
прокатки, термической обработки стали.
Открытые Д. К- Черновым критические точки в стали явились
основой для построения современной диаграммы состояния системы
железо — углерод.
Классические труды «отца металлографии» Д. К- Чернова развивали
выдающиеся русские ученые. Первое подробное описание структур
железоуглеродистых сплавов было сделано А. А. Ржешотарским (1898).
Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных
отечественных ученых Н. Й. Беляева, Н. С. Курнакова, А. А. Байко-
ва, С. С. Штейнберга, А. А. Бочвара, Г. В. Курдюмова и др.
Наука о металлах развивается широким фронтом во вновь создан-
ных научных центрах с применением электронных микроскопов и
другой современной аппаратуры, с использованием достижений рент-
генографии и физики твердого тела. Все это позволяет более
глубоко изучить строение металлов и сплавов и находить новые пути
повышения механических и физико-химических свойств. Создаются
сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами, много-
слойные композиции с широким спектром свойств и многие другие
металлические, алмазные и керамико-металлические материалы.
58
§ 1.	Атомное строение металлов и свлавов
Из 106 элементов периодической системы Д. И. Менделеева, из-
вестных в настоящее время, 80 составляют металлы. Последних два
элемента трансурановой группы (с ничтожно малым периодом полу-
распада) недавно открыты советскими учеными.
Рис. 18. Пространственные кристаллические решетки и элементарнак ячейка
простой кубической решетки
В твердом состоянии все металлы и металлические сплавы обла-
дают кристаллическим строением со строго определенным располо-
жением атомов. Кристаллические тела состоят из множества мелких
зерен (кристаллитов), внутри которых атомы расположены законо-
мерно, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку.
В идеальной кристаллической решетке атомы находятся на опреде-
ленных расстояниях друг от друга и располагаются в определенных
местах. Такое упорядоченное расположение атомов отличает кристал-
лическое тело от аморфного, в котором атомы расположены бес-
порядочно.
Пространственная кристаллическая решетка любого металла слага-
ется из множества сопряженных друг с другом элементарных ячеек,
внутри которых в известном порядке размещаются отдельные атомы.
Существует несколько основных типов кристаллических решеток.
59
На рис. 18, а представлены кубические решетки ме-
таллов.
Элементарная ячейка простой кубической решетки (рис. 18, б) состо-
ит из восьми атомов, расположенных в вершинах куба. Расстояние а
между центрами соседних атомов,
ки, называют периодом решетки, v
Рис. 19. Основные виды элементарных
ячеек кристаллических решеток метал-
лов:
с — объ^мноцентрировянная кубическая; б —
грэнецеитрировяннйя кубическая; в—гексаго-
нальная (координационные числа для них со-
ответственно равны 2, 4 и 12)
Коэффициентом комп
расположенных в узлах ячей-
измеряют в ангстремах (1 А =
—10~8 см) пли килоиксах (1 кх=
= 1,00202-10-® см)-
Каждый атом в вершине ку-
ба принадлежит одновременно
восьми ячейкам, т. е. на каж-
дую ячейку в этой вершине при-
ходится */8 атома. На всю ячей-
ку в целом (8 вершин) прихо-
дится, таким образом, 1 атом.
Кубическая кристаллическая ре-
шетка сокращенно обозначается
индексом Кб.
В кубической объемноцент-
рированной решетке (рис. 18, б
и 19, а) кроме восьми атомов,
находящихся в вершинах куба,
имеется один атом внутри ре-
шетки, принадлежащий только
одной элементарной ячейке.
Таким образом, на каждую
элементарную ячейку в этом
случае приходится два атома.
Эта решетка обозначается инде-
ксом К8. Базисом кристалличе-
ской решетки называют число
атомов, приходящихся на одну
элементарную ячейку. Базис
характеризует плотность решет-
ки, ибо в каждой решетке кро-
ме объема, занимаемого атома-
ми, остается еще свободное
пространство.
актности называется отно-
шение объема, занимаемого атомами, ко всему объему решетки. Чем
больше коэффициент компактности, тем больше плотность элементар-
ной ячейки. Решетку К8 имеют Fea, Сг, Tip, W, Мо и другие метал-
лы.
В кубической гранецентрированной решетке К12 (рис. 18, в и 19, б)
число атомов равно четырем: 1/8-8 = 1 атом от числа атомов, распо-
ложенных в вершинах куба и плюс */2-6 =3 атома от числа атомов,
расположенных в центре граней куба. Кубическую гранецентриро-
ванную решетку имеют FeT, Ni, Al, Со₽ и другие металлы.
Взаимную связь атомов друг с другом характеризует к о о р д и-
60
национное число. Под координационным числом понимают
число атомов-соседей, находящихся на равном и наиболее близком
расстоянии от избранного атома. Так, в простой кубической решетке
от атома А (рис, 18, д) на таких расстояниях находятся атомы I, 2 и
3 данной ячейки, а также симметрично расположенные 4, 5 и 6 со-
седних элементарных ячеек.
Наименьшее расстояние d между атомами в кубической объемно-
центрированной решетке определяется формулой d — (a|z3)/2. В та-
кой решетке коэффициент компактности равен 0,68, или 68%; коэф-
фициент компактности для кубической гранецентрированной решетки
0,74, или 74%, т. е, здесь атомы более плотно упакованы (см. рис. 19,
б). Таким образом, чем больше координационное число, тем больше
плотность упаковки атомов. Основные виды элементарных ячеек кри-
сталлических решеток показаны на рис. 19.
Число атомов в различных сечениях пространственной кристал-
лической решетки неодинаково. Вследствие этого механические, элек-
трические и другие свойства кристаллических тел в разных направ-
лениях будут различными. Это явление называют анизотропи-
е й. Так, например, предел прочности монокристалла чистой меди в
различных кристаллографических направлениях изменяется от 140
до 360 МН/м2 (14—36 кгс/мм2), а относительное удлинение от 10
до 50%.
Многие физические свойства металлов и сплавов, например вы-
сокая электропроводность и теплопроводность, определяются особен-
ностью их внутриатомного строения. Известно, что атом любого эле-
мента имеет положительно заряженное ядро и движущиеся вокруг
него отрицательно заряженные электроны. Число электронов в нор-
мальном атоме равно положительному заряду ядра и атом сам по себе
электрически нейтрален.
Напомним, что порядковый номер элемента в периодической систе-
ме Менделеева равен числу положительных зарядов ядра (и числу
электронов). Так, например, у алюминия (порядковый номер 13) число-
положительных зарядов ядра и число электронов также равно 13.
Принадлежащие атому электроны разделяются на валентные, дви-
жущиеся по внешним орбитам, и внутренние, находящиеся на более
близких к ядру орбитах движения. Валентные электроны в атоме ме-
таллов слабо связаны с ядром и могут подвергаться воздействию
положительно заряженных ядер близлежащих атомов, поэтому их
можно назвать свободными электронами.
§ 2.	Аллотропические превращения я металлах
Некоторые металлы (железо, олово, титан, цирконий, кобальт и
др.) способны испытывать превращения в твердом состоянии при из-
менении температуры, т. е. подвергаться так называемой вторичной
кристаллизации. Существование одного и того же металла в несколь-
ких кристаллических формах с различным расположением атомов в
элементарной ячейке решетки называется аллотропией, а процесс
61
изменения кристаллической решетки — аллотропическим,
или полиморфным превращением. Аллотропические
формы металла называют модификациями и обозначают начальными
буквами греческого алфавита (а, Р, у, б и т. д.). Модификацию, устой-
чивую при низких температурах, обозначают буквой а, при более
высоких — Р, следующие (по температурной шкале) модификации —
у, б и т. д. При вторичной кристаллизации происходит перестройка
кристаллической решетки
из кристаллов прежней
формации и образование
новых кристаллов.
Железо может сущест-
вовать в различных моди-
фикациях. Аллотропичес-
кие превращения железа
можно проследить по кри-
вым охлаждения и нагре-
вания (рис. 20). На кри-
вой охлаждения при тем-
пературе 1539° С появля-
ется первая горизонталь-
ная площадка ' (останов-
ка), отмечающая переход
железа из жидкого состоя-
ния (ж) в твердое Fee с
Рис. 20. Кривые охлаждения и нагревания
железа
выделением значительно-
го количества тепла. Об-
разующиеся кристаллырев
имеют кубическую объем-
н сцентрированную	кри-
сталлическую решетку со стороной а =2,93 А.
Вторая остановка наблюдается при 1401° С (точка А4). При этом
Fes переходит в Fe, с более плотной кубической гранецентриро-
ванной кристаллической решеткой. Третья остановка происходит при
898° С (точка Ara, на рис. 20 orj, во время которой Fev переходите
Fep и имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую
решетку.
Последняя остановка наблюдается при 768° С (точка А2), что соот-
ветствует переходу из состояния Fep в Fea без изменения кристалли-
ческой решетки.
Выделение тепла при переходе Fep в FeK связано с внутриатом-
ными изменениями, в результате которых у Fea появляются резко
выраженные магнитные свойства. Таким образом, фактически имеются
две модификации железа с разными кристаллическими решетками.
Превращения, происходящие при нагревании железа, сопровож-
даются поглощением тепла. Остановки чаще всего происходят при тех
же или несколько более высоких температурах, чем при охлаждении.
Критические температуры, при которых происходят аллотропиче-
ские превращения железа, обозначаются А с соответствующими ин-
€2
дексами (при нагревании применяют индекс с с цифрой, при охлаж-
дении — гс цифрой).
Реальная кристаллическая решетка отличается от идеальной схе-
мы, приведенной на рис. 20, наличием кристаллических несовершенств.
§ 3.	Понятие о теории дислокации
Зксгпраплосквсть
Рис. 21. Дислокаппя в кристал-
лической решетке:
5—У линейная (красная) дислокация
Все реальные кристаллические твердые тела (в частности, металлы)
имеют большее или меньшее количество дефектов кристаллической
структуры, оказывающих влияние, нередко решающее, на макро-
скопические свойства твердых тел.
Такими дефектами являются:
точечные дефекты — вакансии
(узлы кристаллических решеток,
незаполненные атомами), межузель-
ные атомы и др.
одномерные (линейные) дефекты
— дислокации-,
двумерные (поверхностные) де-
фекты — границы зерен и двойников,
дефекты упаковки и др.;
Успехи учения о прочности и
пластичности материалов связаны с
развитием представлений о роли де-
фектов структуры при пластической
деформации и разрушении кристал-
лических твердых тел.
Дислокациями называют линейные
несовершенства или одномерные де-
фекты кристаллических решеток ре-
альных металлов, представляю-
щие собой особые нарушения кристаллического строения, связанные
с отклонениями реальных кристаллов от идеального их строения.
Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные криволиней-
ные. Возникают они в металлах в процессе кристаллизации, пласти-
ческой деформации и по другим причинам, вызывающим создание
полей напряжений в кристаллической решетке, приводящих к соот-
ветствующим локальным деформациям и смещениям.
Теория дислокаций позволила объяснить, почему реальная проч-
ность металлов [для технически чистого железа о0 = 2,5—3,0 МН/ма
(МПа)] разительно отличается от теоретической прочности (под-
считанной с учетом сил межатомного взаимодействия), которая для
железа составляет около 200 МН/м2 (МПа)*.
Представим себе, что в кристаллической решетке по каким-либо
причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая
экстраплоскость Q (рис. 21). Край 3—3' такой плоскости образует
линейный дефект (несовершенство) решетки, который называют крае-
* По материалам доц., канд. техн, наук В. С. Ермакова.
63
вой дислокацией. Если такая дислокация находится вверху, то ее счи-
тают положительной и обозначают знаком Т; краевую дислокацию,
находящуюся внизу (отрицательную), обозначают знаком_Е.
Ряс. 22. Пластический сдвиг
идеальной кристаллической ре-
шетке:
a, б, в — фазы сдвига;
5* линейная (краевая) дислокация
Краевая дислокация может прос-
тираться в длину на многие тысячи
периодов решетки, ее линия не мо-
жет быть прямой и, обладая поверх-
ностным натяжением, она стре-
мится замкнуться в контур. Вокруг
дислокации возникает зона упру-
гого искажения решетки. Ширина
дислокаций, т, е. расстояние от цент-
ра дефекта до места решетки без
искажения, невелика и равна нес-
кольким межатомным расстояниям.
Вследствие искажения решетки
в районе дислокации последняя лег-
ко может смещаться вправо или
влево от нейтрального положения и
устанавливать связь краевых своих
атомов 3 с атомами 1 (см. рис. 21),
а соседняя справа (слева) полуплос-
кость будет при этом переходить в
промежуточное положение, превра-
щаясь тем самым в экстраплоскость и
образуя дислокацию вдоль краевых
атомов 2 и т. д. Таким образом, дис-
локация может перемещаться (вернее
— передаваться как эстафета) вдоль
некоторой плоскости скольжения,
расположенной перпендикулярно к
экстраплоскости Q.
Дислокации в металлах можно
наблюдать с помощью электронного
микроскопа.
Для отожженных металлов плот-
ность дислокаций (рО), т. е. коли-
чество дислокаций, пересекающих
каждый см2, составляет 107—10е,
а для сильно наклепанных — 10t0—
1013
Теоретически, при элементарном
пластическом сдвиге (рис. 22),
если учесть силы межатомного вза-
имодействия для каждой пары со-
пряженных атомов (относительно плоскости скольжения А А) 1~~
2—2' и т. д. и учитывая, что в плоскости скольжения реального метал-
в
лического кристалла имеется около 1014 атомов на каждый см2 сече-
ния, требуется чрезвычайно большое усилие (для технического желе-
454
за, как уже отмечалось, в десятки раз большее, чем это реально наблю-
дается).
Согласно дислокационной теории пластический сдвиг в металле
следует рассматривать как процесс эстафетного перемещения дисло-
каций. Упрощенная схема этого процесса представлена на рис. 23.
с;
Рис. 23. Дислокационная
схема пластического сдвига:
а, б, е, г. — фазы сдвига
В результате наличия дислокации (рис. 23, а) в кристалле по обе
стороны скольжения А А возникает искаженное состояние кристал-
лической решетки с нарушением порядка идеальных связей между ато-
мами. В этом случае достаточно будет приложить небольшое внешнее
усилие Р (значительно меньше силы Р для идеальной решетки —
рис. 23, б), чтобы вызвать распространение волны последовательных
частных смещений вертикальных рядов атомов над плоскостью сколь-
жения АА, не превосходящих по величине одного межатомного рас-
стояния. В результате прохождения этой волны дислокация, как
своеобразная эстафета, будет последовательно передаваться рядам
атомов 3, 4... и в некоторый момент займет положение, представлен-
ное на рис. 23, й. В итоге же передачи движения от частного смещения
ряда атомов I дислокация выйдет на поверхность и исчезнет, как это
показано на рис. 23, а. Итак, конечным результатом перемещения
дислокации вдоль плоскости скольжения АА явился сдвиг на одно
межатомное расстояние, причем для осуществления этого сдвига
понадобилось значительно меньшее усилие, чем при отсутствии дис-
локации.
Отсюда можно сделать вывод, что процесс сдвига в кристалле про-
исходит тем легче, чем больше дислокаций имеется в металле. Наобо-
3—545	65
рот, чем меньше в металле таких дислокаций, тем меньше возмож-
ностей для сдвига и тем прочнее металл. В металле, в котором не обра-
зуются дислокации, сдвиг возможен только за счет одновременного
смещения (как целого) одной части кристалла относительно другой.
В этом случае прочность бездислокационного металла должна быть
равна теоретической (точка 1 на
рис. 24).
Прочность нитевидных метал-
лических кристаллов — так назы-
ваемых усов (точка 2 на рис. 24)
— оказалась ближе к теоретичес-
кой, что, согласно, предположени-
ям, обусловлено весьма малым
количеством дислокаций. Так,
например, для нитевидных крис-
таллов железа предел прочности
на разрыв составляет ов =140
МН/м2 (МПа).
Большое повышение прочности
металла с увеличением совершенст-
ва его кристаллического строения
(на примере нитевидных кристал-
лов) является убедительным под-
тверждением теории дислокации.
Кроме получения бездислока-
ционных металлических кристал-
лов существует другой путь уть
рочнения металлов. Оказывается,
что реальная прочность металлов
падает с увеличением числа дисло-
каций только вначале. Достигнув
Рис, 24. Зависимость прочности от
плотности дислокаций:
I — теоретическая прочность; 2 — прочность
МОЕтокристальных нитей («усов»); 3 — прак-
тическая прочЕЕость отожженного метал-
ла; я — закаленной стали: б — стали после
термомсха ни ческой обработки; в — мартен-
си тоста реют не стали
минимального значения при
некоторой критической плотности
дислокаций (ркр на рис. 24), реальная прочность вновь начинает
возрастать. Повышение реальной прочности с возрастанием плотности
дислокаций выше ркр объясняется тем, что при этом возникают не
только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в раз-
ных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать
друг другу перемещаться, т. е. в элементарный акт пластической де-
формации будет вовлекаться одновременно все большее число атомов.
и реальная прочность металла повысится.
Традиционными способами упрочнения металлов, ведущими к
увеличению плотности дислокаций, являются механический наклеп,
измельчение зерна и общее фрагментирование кристаллов в результате
термообработки. Некоторые давно известные методы легирования
(например, внесение в решетку основного металла чужеродных ато-
мов), создающие всякого рода несовершенства и искажения кристал-
лической решетки, препятствуют свободному перемещению дислока-
ций или блокируют их. Сюда же относятся способы образования
66
структур с так называемыми упрочняющими фазами (например, дис-
персионное твердение).
Однако во всех этих случаях упрочнение далеко не достигает тео-
ретического значения. Следовательно, в той или иной степени наличие
дислокаций в реальном металлическом кристалле является причиной
понижения его прочности за счет проявления способности пластиче-
ски деформироваться при напряжениях, меньших теоретического
уровня.
Следует отметить, что взаимодействия дислокаций друг с другом
и с другими дефектами металла настолько сложны, что на основе прос-
тых дислокационных теорий нельзя предсказывать прочность твердых
тел. Однако теория дислокаций позволяет качественно характери-
зовать процессы деформации, разрушения и упрочнения твер-
дых тел.
Теория дислокаций на сегодняшний день стала неотъемлемой частью
физики твердого тела и физического металловедения.
Все процессы, протекающие в металлах и сплавах, а также форми-
рование их свойств неразрывно связаны с характером и плотностью
дефектов кристаллического строения и, в первую очередь, дислокаций.
Так, пластическая деформация, обычно представляющая собой внутри-
зеренный сдвиг, осуществляется, как об этом было сказало выше,
путем движения дислокаций.
Теория дислокаций объясняет зависимость между деформациями
и напряжениями, вскрывает причины деформационного упрочнения
(наклепа). Чем больше плотность дислокаций при равномер-
ном их распределении, тем выше прочность металла.
Упрочнение твердых растворов нельзя объяснить
без учета взаимодействия растворенных атомов с дефектами кристал-
лического строения и, в первую очередь, с дислокациями.
Вокруг дислокаций могут создаваться скопления чужеродных
атомов, получивших название «атмосфер Кртрелла». Образование
таких скоплений (особенно внедренными атомами) может в значитель-
ной степени затруднять движение дислокаций увеличивая тем самым
сопротивление пластической деформации.
Процесс разрушения металлов невозможно объ-
яснить, не основываясь на теории дислокаций, поскольку разруше-
ние и пластическая деформация неразрывно связаны между собой.
Предложены различные дислокационные модели образования зароды-
шей трещин, возникающих благодаря скоплению дислокаций перед
барьерами.
Не привлекая теорию дислокаций, нельзя объяснить ползучесть
металлов, поскольку она определяется процессами скольжения и
«переползания» дислокаций.
Дислокации оказывают существенное влияние на процесс диффузии.
Так как дислокации могут быть источником вакансий (атомных дырок
в кристаллической решетке), то они способствуют ускорению диффу-
зионных процессов. Дислокации могут уменьшать работу образова-
ния зародышей новой фазы, являясь областями преимущественного
ее выделения (например, при дисперсионном твердении).
3*
67
Теория дислокаций описывает характер взаимодействия дислока-
ций с дисперсными частицами других фаз и вскрывает причины
упрочнения стареющих сплавов..
Итак, многие вопросы металловедения неразрывно связаны с тео-
рией дислокаций. Теория дислокаций подсказала пути реализации
скрытых резервов прочности металлов, заключающиеся в более пол-
ном использовании сил межатомных связей в кристаллической решет-
ке. Это выразилось, в частности, в разработке принципиально новых,
практически бездислокационных материалов — нитевидных кристал-
лов металлов и других кристаллических веществ (графита, окислов
и др.), обладающих чрезвычайно высокой прочностью в повышении
прочности ранее известных марок стали путем комбинированной тер-
момеханической обработки (ТМО).
Дислокационная теория служит дальнейшему развитию металло-
ведения и его практического приложения.
§ 4.	Плавление и кристаллизация металлов
Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной тем-
пературы. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, не-
прерывно совершают колебательные движения с частотой порядка
!013 периодов в секунду. Чем
выше температура металла, тем
больше амплитуда колебания
атомов. При определенном наг-
реве металла амплитуда коле-
бания атомов достигает некото-
рой критической величины, при
которой происходит разруше-
ние кристаллической решетки,
приводящее к хаотическому' пе-
редвижению молекул или ато-
мов друг относительно друга и
время	- переходу металлов из твердого
в жидкое состояние. Такой пе-
Рис. 25. Кривые^ ^охлаждения жидкого реХод происходит при строго
определенной температуре пла-
вления. Аморфные (псевдотвер-
дые) вещества не имеют строго определенной температуры перехода
из твердого состояния в жидкое. Поэтому аморфные вещества мо-
жно рассматривать как переохлажденную жидкость.
Любое вещество может находиться в четырех агрегатных состоя-
ниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Переходы из
одного агрегатного состояния в другое называют фазовыми превра-
щениями; для чистых кристаллических тел они происходят при строго
определенных температурах.
Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов из
жидкой или газообразной фазы. Форма, величина, а также ориентиров-
ка кристаллов влияют на все свойства металлов и сплавов.
68
На рис. 25 показана кривая охлаждения жидкого металла до
комнатной температуры при медленном отводе тепла {малая скорость
охлаждения). В точке т при температуре t° в расплаве возникагот
первые центры кристаллизации металла, число которых увеличи-
вается по мере отвода тепла. При этом ранее возникшие кристаллы рас-
тут. До тех пор пока весь жидкий металл не затвердеет (в точке п),
температура остается постоянной. Этот процесс сопровождается выде-
лением скрытой теплоты плавления. На кривой охлаждения (рис. 25)
образуется горизонтальный участок, показывающий, что затвердева-
ние металла из расплава происходит при строго постоянной темпера-
туре. После затвердевания металла наблюдается плавное понижение
его температуры. Температуру, при которой металл переходит из
жидкого состояния в твердое, называют температурой первичной
кристаллизации. Температура кристаллизации (а следовательно, и
плавления) различных металлов находится в широких пределах —
от —38,9 (Hg) до +3410° С (W). Кроме первичной кристаллизации
возможна вторичная — изменение кристаллического строения метал-
ла в твердом состоянии.
При быстром отводе тепла некоторые металлы способны и е р е-
охлаждаться, т. е. находиться некоторое время в жидком состо-
янии при температуре ниже температуры первичной кристаллизации.
Это явление объясняется следующим образом. В результате быстрого
отвода тепла в расплаве образуется большое количество центров
кристаллизации и происходит интенсивный их рост. Это приводит
к выделению значительного количества тепла, способного некоторое
время поддерживать металл в жидком состоянии и даже повышать
его температуру вплоть до обычной температуры затвердевания.
Разность между теоретической /т и фактической температурами
кристаллизации называют степенью переохлаждения Д/ = /т
Д. К. Чернов установил, что процесс кристаллизации можно
определить количественно, если известны две величины — скорость
зарождения центров кристаллизации и скорость роста кристаллов.
Скоростью зарождения называют число центров (ч. ц.) кристал-
лизации, зарождающихся в единице объема металла в единицу вре-
мени.
Скоростью роста (с. р.) называется увеличение линейных разме-
ров растущей грани кристалла в единицу времени.
Г. Тамман установил определенную связь между скоростью за-
рождения и скоростью роста кристаллов в зависимости от переохлаж-
дения металла.
Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов с
повышением степени переохлаждения увеличиваются, достигают мак-
симума и затем уменьшаются до нуля (рис. 26). При малой степени
переохлаждения скорость роста (с. р.) велика, а скорость за-
рождения центров (ч. ц.) мала, в результате металл получит крупно-
кристаллическое строение.
При скорость роста замедляется, а скорость зарождения цент-
ров возрастает быстрее; зерно имеет несколько меньшие размеры.
При Д/3 скорость роста меньше скорости зарождения центров кристал-
69
лизации и металл имеет мелкокристаллическое строение. В прирдде
самопроизвольно могут происходить процессы, сопровождающиеся
уменьшением свободной энергии системы. Свободная энергия F — это
Рис. 26. Зависимость числа центров
кристаллизации и скорости роста
кристаллов от степени первоохлаж-
дения
Рис, 27. Зависимость свободной
энергии жидкого и твердого состо-
яний металла от температуры
та часть внутренней энергии, которая может быть полностью превра
щена в работу. Зависимость и изменение свободной энергии жидкого
(Лк) и твердого (FT) состояний металла от температуры приведена
на рис. 27.
При температуре Ts свободные энергии твердого и жидкого состоя-
ний равны, наблюдается сво-
еобразное фазовое равнове-
сие, процессы кристаллиза-
ции и плавления не закан-
чиваются.
Для плавления необходи-
ма температура выше, чем
Т3, например Tv При дан-
ной температуре свободная
энергия жидкости Fx меньше
свободной энергии твердого
тела и Д/д = FT1 —FXl.
Для развития процесса крис-
таллизации необходимо соз-
дать такие условия, при ко-
торых свободная энергия
твердой фазы будет меньше,
чем свободная энергия жид-
кой фазы. Как видно из гра-
фика (рис. 27), это возмож-
но только при некотором
переохлаждении сплава.
Первичная кристаллпза-
Рис. 28. Схема образования дендрита (и) цня металла в значительной
и дендрит Чернова {б)	степени зависит от скорости
70
отвода тепла от него. Поскольку кристаллизация начинает-
ся одновременно во многих очагах объема образца, рост кристаллов
правильной геометрической формы постепенно нарушается вследствие
столкновения кристаллов между собой. В результате образуется мно-
жество кристаллов неправильной формы (кристаллитов). При затвер-
девании жидкого металла почти всегда образуются кристаллические
зерна в форме дендритов.
На рис. 28, а представлена схема образования и роста дендритов.
При затвердевании жидкого металла около одного из центров кристал-
лизации первоначально формируется главная (длинная) ветвь дендри-
та, ось первого порядка. От нее под определенным углом отходят оси
второго порядка, от последних — оси третьего порядка и т. д.
На рис. 28, б показан знаменитый кристалл (дендрит) Чернова,
найденный во внутренней полости (раковине) слитка стали массой
3,45 кг и высотой 30 см.
Глава VI
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ
§ 1. Строение и характеристика сплавов
Металлическими сплавами называют сложные по составу вещества,
образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких
металлов либо металлов с некоторыми неметаллами. Химические
элементы или их устойчивые соединения, образующие сплав, принято
называть компонентами. Сплавы могут состоять из двух, трех и более
компонентов.
Способность различных металлов образовывать сплавы далеко
не одинакова; структура сплавов после их затвердевания также может
быть самой разнообразной.
Металлические сплавы в жидком состоянии, как правило, одно-
родны, представляют одну фазу. В некоторых случаях металлы в жид-
ком состоянии взаимно нерастворимы и образуют отдельные слои
(например, свинец и железо, свинец и цинк). Однако полная нераство-
римость металлов в жидком состоянии — редкое явление; чаще встре-
чается ограниченная растворимость. Если концентрация одного из
металлов превышает предельную растворимость его в другом металле,
то жидкость разделяется на два слоя. Ограниченной растворимостью
в жидком состоянии чаще всего обладают металлы, атомные объемы
и температуры плавления которых существенно различны.
Фазой называют однородную часть неоднородной системы, отделен-
ную от других ее частей поверхностями раздача. При переходе сплавов
из жидкого состояния в твердое в них может образоваться несколько
фаз. После затвердевания, в зависимости от природы компонентов,
сплавы могут состоять из одной, двух и более твердых фаз. Могут
образовываться твердые растворы, химические соединения и механи-
ческие смеси, состоящие из двух или нескольких фаз.
71
Твердыми растворами называют сплавы (из двух или
более компонентов), в которых атомы растворимого компонента рас-
полагаются в кристаллической решетке компонента растворителя.
При образовании твердого раствора растворителем называют тот ме-
талл, кристаллическая решетка которого сохраняется как основа.
Если оба металла обладают одинаковыми по типу кристаллическими
решетками и вследствие этого
неограниченной взаимной рас-
творимостью в твердом состоя-
нии (образуют непрерывный ряд
твердых растворов), то раство-
рителем является тот из них,
концентрация которого в спла-
ве превышает 50% (атомных).
Для образования непрерыв-
ного ряда твердых растворов
необходимы одинаковый тип
кристаллических решеток ком-
понентов и небольшая разность
периодов кристаллических ре-
Рис. 29. Схема образования твердых
растворов: о — атом основного ме-
талла (растворителя), ф — атом рас-
творенного металла
шеток.
В твердых растворах могут
происходить диффузионные пе-
реходы компонентов из мест с
большей их концентрацией в
места с меньшей концентра-
цией до тех пор, пока концентрация не станет одинаковой
во всем объеме. Однако диффузия в твердых растворах протекает зна-
чительно медленнее, чем в жидких, и скорость ее уменьшается с по-
нижением температуры.
Различают три типа твердых растворов: замещения, внедрения
и вычитания. Рассмотрим только первых два типа твердых растворов,
так как твердые растворы вычитания встречаются сравнительно редко.
Твердый раствор замещения образуется путем замены части ато-
мов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворяе-
мого компонента (рис. 29, а). Эти твердые растворы могут быть огра-
ниченными и неограниченными.
Обычно компоненты, у которых атомные периоды решетки отли-
чаются не более чем па 8%, образуют неограниченный ряд твердых
растворов замещения; на 8—15% —твердые растворы замещения с
ограниченной взаимной растворимостью; более чем на 15% — не об-
разуют твердых растворов*.
Твердые растворы внедрения образуются путем размещения атомов
растворенного компонента в свободных промежутках между атомами
кристаллической решетки растворителя (рис. 29, б).
* Эти положения не безусловны. Например, в системе селен-теллур (раз-
ница в периодах 17%) образуется неограниченный ряд твердых растворов. Есть
и Другие исключения.
72
Химические соединения образуются при строго опре-
деленном количественном соотношении компонентов сплава и харак-
теризуются кристаллической решеткой, отличной от решеток исход-
ных компонентов. Химические соединения, как правило, обладают
характерными физико-механическими свойствами: высокой твердостью,
повышенной хрупкостью, высоким электросопротивлением.
Химические соединения в сплавах образуются между металлами
(интерметаллические соединения), а также между металлами и не-
металлами. Некоторые соединения металлов с неметаллами (карбиды,
нитриды, оксиды, фосфиды и др.) получили в технике самостоятельное
применение.
Механические смеси образуются при одновременном
выпадении из жидкого расплава при его охлаждении кристаллов сос-
тавляющих его компонентов (эвтектические смеси). В кристаллах,
которые входят в состав механической смеси, сохраняется кристалли-
ческая решетка исходных компонентов сплава. Механические смеси
могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химиче-
ских соединений и т. д.
Правило фаз (закон Гиббса) устанавливает количественную зави-
симость между числом степеней свободы, числом фаз и числом компо-
нентов. Под числом степеней свободы системы понимают число неза-
висимых внешних (температура, давление) и внутренних переменных
(концентрация), которые можно произвольно изменять без изменения
числа фаз в системе.
Для металлических сплавов, находящихся под постоянным давле-
нием, переменными величинами являются температура и концентра-
ция. В этом случае правило фаз принимает следующий вид:
С = к+ I — Ф,
где С — число степеней свободы, Ф — число фаз и К — число компо-
нентов системы.
При кристаллизации чистого металла система состоит из одного
компонента (К — 1)» твердой и жидкой фаз (Ф = 2). При неизменном
давления такая система нонвариантна (число степеней свободы равно
нулю: С = 1 + 1—2 = 0) и в ней нельзя произвольно изменять
температуру, не изменяя числа фаз.
Для чистого расплавленного металла (К — 1, Ф — 1,С — 1) сис-
тема одновариантна, т. е. при изменении температуры равновесие
системы нарушится.
§ 2. Основные типы диаграмм состояния двойных сплавов
Диаграммы состояния металлических сплавов представляют обоб-
щенные результаты изучения хода затвердевания и структурно-фазо-
вых превращений в выбранных системах. Эти диаграммы позволяют
определить температуры начала и конца затвердевания сплавов, их
структуру для различных температур и превращения, которые сплавы
претерпевают при охлаждении и нагревании.
73
При построении диаграмм состояния сплавов по оси абсцисс откла-
дывают концентрацию каждого компонента (от 0 до 100%), по оси
ординат — температуру. Каждому составу сплава при определенной
температуре отвечает определенная одна точка па диаграмме. Наука
о структуре металлов и сплавов называется металлографией. Для ис-
следования структуры металлов и сплавов применяют металло-
микроскопы и рентгеновские аппараты.
Диаграммы состояния сплавов строят на основании их изучения
методами термического, микроскопического, рентгеноструктурного,
электросопротивления, магнитного и других анализов.
Рис. 30. Диаграмма состояния РЬ — Sb и микроструктуры свинцово-
сурьмянистых сплавов:
ж. с. — жидкий сплав, э — эвтектика
При термическом анализе определяют температуру начала и кон-
ца затвердевания сплавов при переходе их из жидкого состояния в
твердое, а также температуру всех превращений, происходящих в спла-
ве в твердом состоянии. Для термического анализа приготовляют ряд
сплавов с постепенно изменяющимся содержанием одного из компонен-
тов сплава (например, 10, 20, 30, 40% и т. д.). Серию таких сплавов
нагревают и расплавляют, а затем медленно и равномерно охлаждают.
При помощи термопары через определенные промежутки времени от-
мечают температуру сплава. На основании полученных данных строят
серию кривых охлаждения и нагревания в координатах температура —
время, характерные точки которых переносят на диаграмму состо-
яния.
Первый тип диаграммы состояния характери-
зуется тем, что компоненты неограниченно растворимы в жидком сос-
тоянии, совершенно нерастворимы в твердом состоянии и образуют
механическую смесь своих кристаллов. По диаграмме состояния перво-
го типа кристаллизуются системы Pb -Sb, Sn—Zn; Pb—Ag и др.
74
Таблица 1
Температуры затвердевания сплавов системы РЬ—Sb
Сплавы
Со дер ж ание компсц । ei itob (вес), %		Температура затвердевания, ”С	
Sb	Pb	начало	конец
и
III
IV
V
VI
VII
VIII
5
10
13
20
40
80
100
100
95
90
87
80
60
20
0
327
296
260
243
280
395
570
631
327
243
243
243
243
243
243
631
Для примера построим диаграмму состояния сплавов системы РЬ—
—Sb (рис. 30). Температуры начала и конца затвердевания спла-
вов этой системы (при медленном охлаждении) приведены в табл. 1.
Кривые охлаждения свинца и сурьмы (рис. 30) имеют только по
одной горизонтальной площадке, соответствующей температуре их
затвердевания. На каждой из кривых охлаждения сплавов имеется пере-
гиб или площадка при температурах, фиксирующих начало и конец зат-
вердевания. Верхние точки, при которых начинается затвердевание
рассматриваемых сплавов, существенно отличаются друг от друга по
температуре. Нижняя критическая температура затвердевания для
всех сплавов свинца и сурьмы одинакова — она равна 243° С.
Перенося точки начала и конца затвердевания кривых охлаждения
всей серии сплавов на график состав сплава — температура, получим
диаграмму состояния системы РЬ—Sb.
Выше линий АС и СВ сплавы любого состава находятся в жидком
состоянии. Эти линии фиксируют начало затвердевания сплавов, их
называют линиями ликвидуса (ликвидус — жидкий). Прямая линия
DCE соответствует концу затвердевания сплавов и называется линией
солидуса (солидус — твердый). Ниже этой линии сплавы любого
состава находятся в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и
солидус сплавы состоят из двух фаз: жидкой и твердой. На линии АС
начинается кристаллизация чистого свинца из сплавов, содержащих
менее 13% сурьмы. На линии ВС — кристаллизация чистой сурьмы
из сплавов, содержащих боле 13% сурьмы. В точке С, отвечающей
сплаву с 13% Sb и 87% РЬ при температуре 243° С, про-
исходит одновременная кристаллизация обоих компонентов сплава
с образованием тонкой механической смеси. Полученную после за-
твердевания структуру сплава называют эвтектикой (на рисунке
обозначена буквой С), а сплав, соответствующий точке С, называется
эвтектическим сплавом. Он обладает самой низкой температурой плав-
ления по сравнению с остальными сплавами. Сплавы, состав которых
находится на диаграмме левее точки С, называют доэвтектическими,
а правее — заэвтектическими.
75 
Доэвтектический сплав выше линии АС находится в жидком сос-
тоянии. При охлаждении ниже линии АС из сплава начинают выпадать
кристаллы чистого свинца, обладающего более высокой температурой
затвердевания, чем остающаяся жидкая часть сплава, постепенно обо-
гащающаяся сурьмой. Выделение кристаллов чистого свинца из жид-
кой фазы будет продолжаться вплоть до температуры 243° С, т. е,
до линии эвтектики DCE. При этой температуре оставшаяся часть
жидкой фазы содержит 13% Sb, и она затвердевает с образованием
эвтектики.
Рис. 31. Диаграмма состояния
системы Си — Ni и микро-
структуры медноникелевых
сплавов;
а — чистая медь; б — сплав, содер-
жащий 30% Ni (твердый раствор
различной концентрации — светлые
участки обогащены никелем; темные
участки обогащены медью); в — то
же, после ковки и диффузионного
отжига (однородные зерна твердого
раствора); а — чистый никель
При охлаждении заэвтектических сплавов ниже линии ВС из жид-
кого сплава начинают выпадать кристаллы чистой сурьмы, обладаю-
щей более высокой температурой затвердевания, чем остающаяся
жидкая часть сплава; поэтому последняя обедняется сурьмой, и ее
состав начинает приближаться к эвтектическому. При температуре,
соответствующей линии DCE (243° С), эта часть сплава будет содержать
13% Sb и по мере дальнейшего понижения температуры затвердеет
с образованием эвтектической смеси. Таким образом, заэвтектические
сплавы затвердевают аналогично доэвтектическим сплавам с той раз-
ницей, что ниже линии ликвидуса из жидкости выделяется не свинец,
а сурьма.
Второй тип диаграммы состояния, в котором компонен-
ты неограниченно взаимно растворимы в жидком и в твердом состоя-
нии, образуют однородные твердые растворы.
?Б
По этому типу диаграмм затвердевают сплавы Си—Ni; Со—Ni;
Fe—Ni и др. В указанных системах образуются однородные твердые
растворы, так как составляющие их компоненты имеют одинаковый
тип кристаллических решеток при разнице в атомных размерах не
более 8%.
В качестве примера второго рода диаграмм состояния на рис. 31
приведена система Си—Ni. По внешнему виду эта диаграмма напоми-
нает чечевицу, верхняя часть которой ограничена линией ликви-
дуса (линия 1РВК'2), а нижняя — линией солидуса (линия
1К"тп2).
В отличие от системы РЬ—Sb затвердевание сплавов Си—Ni на-
чинается с выделения из жидкости кристаллов твердого раствора (Си
и Ni). Сплав с 30% Ni (точка /<) при 1400° С (точка а) будет жидким.
В точке К' из жидкости выпадут кристаллы твердого раствора Ni—Си
состава, соответствующего точке п, на диаграмме (73% Ni); при ох-
лаждении сплава от точки К' до точки К" состав остающейся жидкос-
ти изменяется от точки К' до точки Р. Последняя капля жидкости
содержит всего лишь 7% Ni. Состав кристаллов твердого раствора,
выпадающих в ходе затвердевания, изменяется вдоль линии солидуса
от точки п до точки К". Последним затвердеет кристаллик состава,
соответствующего точке К" (30% Ni).
Таким образом, при затвердевании сплава этой системы наблюда-
ется непрерывное изменение составов жидкой фазы и образующихся
кристаллов твердых растворов.
Первые твердые частицы, которые формируются из центров крис-
таллизации, и главные оси дендритов (оси первого порядка) в затвер-
девшем сплаве сильно обогащены тугоплавким компонентом, т. е.
Ni; по мере понижения температуры и формирования осей последую-
щего порядка в твердой фазе увеличивается содержание Си. Остаю-
щаяся жидкость обогащается медью, т. е. более легкоплавким компо-
нентом. В результате кристаллизации структура сплава получается
неоднородной, так как диффузия не успевает выравнивать состав обра-
зующегося твердого раствора.
На рис. 31, а приведена микроструктура чистой меди, на рис. 31, а
— микроструктура чистого никеля. Микроструктура сплава, со-
держащая 30% никеля, показана на рис. 31, б. Светлые участки пред-
ставляют твердый раствор, обогащенный никелем, темные — твердый
раствор, обогащенный медью. Внутри отдельных зерен элементы рас-
пределены неравномерно; такое явление называют внутридендритной
ликвацией. Нагрев до температуры, лежащей на 50—100°С ниже линии
солидуса, и выдержка при этой температуре выравнивают состав
(рис. 31, е).
Третий тип диаграмм состояния; в жидком сос-
тоянии компоненты взаимно неограниченно растворимы; в твердом —
обладают ограниченной растворимостью, образуя при кристаллиза-
ции эвтектику. На рис. 32 приведен этот тип диаграммы Кристалли-
зация доэвтектических сплавов по линии ликвидуса АС начнется
выделением из жидкого раствора кристаллов твердого раствора а
(твердый раствор компонента В в кристаллической решетке компо-
77
Рис. 32. Диаграмма состояния двой-
ных сплавов с неограниченной рас-
творимостью в жидком состоянии и
ограниченной — в твердом
пента Л). Кристаллизация заэвтектических сплавов по линии СВ нач-
нется выделением из жидкой фазы кристаллов твердого раствора р
(твердый раствор компонента А в кристаллической решетке компонен-
та В). Эвтектика Э в точке С состоит из двух твердых растворов аир.
Их составы меняются по линии солидус ADCEB. Предельная раство-
римость компонента В в кристаллической решетке компонента А со-
ответствует точке D при эвтектической температуре. Предельная раст-
воримость компонента Л в кристаллической решетке компонента В
соответствует точке Е при этой же температуре.
Структура сплавов, расположенных левее точки D (в области
твердого раствора), состоит из однородного твердого раствора а. Струк-
тура сплавов, расположенных пра-
вее точки Е, состоит из однород-
ного твердого раствора р.
С понижением температуры
растворимости компонентов В в А
и Л в В уменьшаются (линии Dl и
Ет). Вследствие этого из твердых
растворов выделяются избыточ-
ные фазы. Из твердого раствора
а, например, выделяются вторич-
ные кристаллы твердого раствора
рп переменного состава; из твердо-
го раствора р — кристаллы твер-
дого раствора ан- Составы этих
вторичных кристаллов определя-
ются соответственно линиям Ет
и DI.
Сплавы состава левее точки I
состоят из однородного твердого
раствора а, правее точки т — из однородного твердого раство-
ра р.
Сплавы составов от точки I до точки d имеют микроструктуру, со-
стоящую из кристаллов твердого раствора а переменного состава и
вторичных кристаллов твердого раствора р1Ь а от точки е до точки т
— из кристаллов твердого раствора р переменного состава и вторич-
ных кристаллов твердого раствора ап. Эвтектический сплав (точка С)
состоит из тонкой механической смеси двух твердых растворов пере-
менного состава а и р.
Доэвтектические сплавы, имеющие состав от точки d до точки с
состоят из кристаллов твердого раствора а, эвтектики а + р и мелких
вторичных кристаллов Рп — твердого раствора.
Заэвтектические сплавы, имеющие состав от точки с до точки е,
состоят из кристаллов твердого раствора р, эвтектики а + р и мелких
вторичных кристаллов твердого раствора ап .
Четвертый тип диаграмм состояния системы;
компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, нераст-
воримы в твердом и образуют одно или несколько устойчивых хими-
ческих соединений. Эти соединения можно рассматривать как само-
78
стоятельный компонент, а диаграмму состояния этого типа как две
или несколько сочлененных диаграмм.
Рассмотрим диаграмму состояния системы, состоящей из компо-
нентов А и В, которые образуют между собой устойчивое химическое
соединение АтВп (рис. 33). Температура плавления его может
быть ниже или выше температур плавления исходных компонентов
А и В.
Эту диаграмму состояния следует рассматривать как состоящую
из двух диаграмм первого типа.
Затвердевание системы А—АтВп происходит по линии At Ег С\
По линии кристаллизуется компонент А, а по линии Ег Сх хими-
ческое соединение АтВп.
Окончательное затвердевание
сплава происходит при эвте-
ктической температуре по
линии D1£1F1. В точке Ех
одновременно кристаллизуют-
ся Д и АтВ„. Сплав такого
состава после затвердевания
имеет эвтектическое строе-
ние.
Затвердевание сплавов
системы АтВ —Bt начинает-
ся по линии С^Е^В^ При
этом по линии Е2 крис-
таллизуется химическое сое-
динение АтВп, а по линии
Е2В, чистый компонент В.
Рис. 33. Диаграмма состояния двойных
сплавов, компоненты которых образуют
химическое соединение
Полное затвердевание этих
сплавов происходит при эвтектической температуре по линии
К£г£1- Эвтектический сплав, отвечающий точке Е2, состоит из
АтВп + В.
По четвертому типу диаграммы состояния затвердевают сплавы
Mg—Pb, Со—Sb, Мп—Si и ряд других.
Пользуясь диаграммой состояния, можно определять не только
области существования фаз и их качественный состав при любой тем-
пературе, но и количественное соотношение между отдельными фа-
зами. Для этой цели служит правило отрезков. Например,
чтобы установить количественное соотношение фаз в точке k при тем-
пературе t (см., например, рис. 30), через эту точку следует провести
линию, параллельную оси абсцисс. Точка п соответствует соста-
ву твердой фазы (100% Sb), а точка I—-составу жидкой фазы
сплава.
Если Q — масса сплава, Q.,( — масса жидкой фазы и QT — масса
твердой фазы, а отрезки Д7 и Кп обозначить у и х, то по правилу
отрезков можно получить следующие соотношения:
Qt	= у .	Рж	_ у .	Qt	= х
О. х ’	Q *+«/ ’	Qw х + у
79
§ 3. Характер изменения свойств сплавов в зависимости
от состава для разного типа диаграмм состояния
Зависимость между составом, структурой и характером диаграмм
состояния впервые установил академик И. С. Курнаков (1860—1941).
Построенные им диаграммы состав — свойство широко используются
в практике.
Электрические и другие физические свойства сплавов, затверде-
вающих в соответствии с диаграммой состояния первого типа, изме-
няются в зависимости от состава по закону прямой линии (рис. 34, а).
При образовании в сплавах непрерывного ряда твердых растворов
(диаграмма 2-го типа) их свойства изменяются с составом криволиней-
но (рис. 34, б).
Рис. 34. Изменения свойств сплавов для различных диаграмм состояния:
d—€ SEteKiHKofi; б — с непрерывным рядом твердых растворив; е— с шраничевной раство-
римостью в твердом состоянии; г -- с устойчивым химическим соединением
В сплавах с ограниченной растворимостью компонентов в твердом
состоянии (3-й тпп диаграммы) свойства изменяются в зависимости от
состава: в однофазной области— по криволинейному закону, а в двух-
фазной — по прямолинейному закону (рис. 34. в). При образовании
в сплавах химического соединения АтВп (4-й тип диаграммы) свой-
ства сплавов изменяются прямолинейно от компонента А к химиче-
скому соединению AmBn и от этого химического соединения к компо-
ненту В. При составе сплава, соответствующем химическому соеди-
нению АтВп, наблюдается резко выраженный перелом (максимум
или минимум) в изменении свойств (рис. 34, г).
80
Глава VII
ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Свойства металлов и сплавов зависят от состава и структуры. Их
определяют различными методами, которые нужно разделить на ме-
ханические, физические, технологические, химические и специальные
(определение жаропрочности, коррозионной стойкости и т. д.).
§ 1.	Механические испытания металлов
Чтобы предупредить разрушение металлических изделий и кон-
струкций, необходимо при их конструировании учитывать главным
образом прочностные характеристики применяемых металлов.
Прочностные (механические) характеристики металлов и сплавов
определяют при испытании стандартных образцов или самих изделий
на специальных машинах.
Механические испытания металлов могут быть статическими (на-
грузка на образец увеличивается постепенно), динамическими (на-
грузка на образец действует мгновенно) и повторно-переменными
(нагрузка на образец многократно изменяется по величине и направ-
лению).
Металлы испытывают на растяжение, сжатие, кручение, на удар,
усталость, иа твердость и ползучесть (при комнатной, низких или
высоких температурах).
Испытание на растяжение. Испытание на растяжение производят
иа разрывных машинах с механическим или гидравлическим приво-
дом (рис. 35, а, б). Как видно из кинематической схемы, образец
(рис. 35, б) зажимают головками подвижного захвата 11. Электро-
двигатель 15 через систему передач и гайку 13 передает движение
грузовому винту 12. При испытании сила сопротивления образна
передается измерительному рычагу 8, соединенному с маятником 1
тягой 4 через кривошип 2. Маятник /, отклоняясь через поводок 3,
двигает каретку 6 с пером 7 по линейке. На диаграммной бумаге перо 7
пишет кривую нагрузка — удлинение. Барабан 17 и виит 12 пере-
мещаются двумя парами шестерен 14 и 9 через валик 10. Для этого
вида испытания изготовляют стандартные образцы (рис. 35, в). В
зависимости от площади поперечного сечения различают нормальные
и пропорциональные образцы. Нормальные образцы имеют площадь
поперечного сечения 314 мм2 (d0 = 20 мм). Они бывают двух видов:
длинные (длина расчетной части /0 = 200 мм, а отношение =
= 10) и короткие (10 = 100 мм и l0/d0 = 5).
Площадь поперечного сечения пропорциональных образцов может
быть произвольная, а расчетную длину определяют по формуле
10 = 11,3 или /0 = 6,65 Fn,
где Др — исходная площадь поперечного сечения образцов, мм2.
Литые образцы и образцы из хрупких материалов изготовляют с ра-
счетной длиной /0 — 2,821' До.
4—545
81
При испытаниях образец растягивают па специальной машине
до момента его разрыва. При этом вычерчивается диаграмма растя-
жения образца (рис. 35, г). По вертикальной оси диаграммы откла-
дывается нагрузка Р, по горизонтальной — абсолютное удлинение
Рис, 35. Испытание и а растяжение г
а— общий вид разрывной машины с механическим приводом типа ИМ-4Р; б— кинема-
тичсскяя схема; ©—стандартные образцы для испьиаиия па растяжение; г — диаграмма
растяжении пластичного металла, 7 — маятник; 2 — кривошип; 3 — поволок; 4 — thi s;
5— линейка; 6 — каретка; 7 — перо, Я - измерительный рычаг,— 9 шестерни, 10 — валик.
И—подвижной захват, 72 винт. /3 — гайка, /4 — шестерня» /5 — электрод вига i ель,
— рукоятка, 17 — барабан с рукояткой, 18 — груз
образца А/. На диаграмме можно отметить характерные участки и
точки. На участке 0Рр удлинение Д' образца увеличивается прямо
пропорционально нагрузке Р , называемой нагрузкой предела про-
порциональности.
82
Пределом пропорциональности ор называют наибольшее напря-
жение, до которого относительное удлинение образца остается прямо
пропорциональным нагрузке Рр. Его определяют по формуле (в Н/м2
или Па):
°Р=Р^<е
Нагрузка Ре, при которой образец получает остаточное удлине-
ние, равное 0,005% расчетной длины, называют нагрузкой предела
упругости.
Пределом упругости ие называют такое напряжение, при котором
остаточное удлинение получается равным 0,005% первоначальной
расчетной длины образца. Его определяют по формуле
^е= По-
выше точки Ре кривая диаграммы растяжения плавно перехо-
дит в горизонтальный участок. При этом образец удлиняется без
увеличения нагрузки (металл как бы течет).
Нагрузку Рт, при которой начинается течение металла, называют
нагрузкой предела текучести, а горизонтальный участок кривой —
площадкой текучести
Пределом текучести от называют наименьшее напряжение, при
котором образен деформируется без заметного увеличения нагрузки.
Его определяют по формуле
°т = PT/F0.
Условным пределом текучести о02 называют напряжение, при
котором остаточное удлинение образца равно 0,2% расчетной длины.
За площадкой текучести нагрузка снова растет до некоторой мак-
симальной величины Рр, после которой на образце начинается образо-
вание местного сужения (шейки). Уменьшение сечения в области шейки
вызывает снижение нагрузки, и в точке К при нагрузке Рг проис-
ходит разрыв образца. Наибольшую нагрузку Рв, при которой начи-
нается образование шейки, называют нагрузкой предела прочности
при растяжении.
Пределом прочности при растяжении называют напряжение ов,
соответствующее наибольшей нагрузке Рв. Определяют его по фор-
муле
% = PJPo-
Истинным сопротизлгнием разрыву ог пазы вают напряжение, оп-
ределяемое отношением нагрузки в момент разрыва к площади попе-
речного сечения образца в месте разрыва:
Полная деформация образца складывается из остаточной Д/Ост
и упругой деформации Л/упр. Для определения этих деформаций не-
обходимо на диаграмме растяжения из точки k провести прямую, па-
раллельную прямолинейному участку кривой, до пересечения с осью
абсцисс.
4*
83
Относительным удлинением 6 называют отношение приращения
длины образца после разрыва к его расчетной длине, выраженное в
процентах:
8=	100%,
где !г — длина образца после разрыва, мм; /0 — расчетная длина
образца, мм.
Относительным сужением б называют отношение уменьшения
площади поперечного сечения образца после разрыва к начальной
площади поперечного сечения, выраженное в процентах:
ф=А^-Ю0%,
Ло
где Fo — начальная площадь поперечного сечения образца, мм2; Ft —
конечная площадь поперечного сечения образца, мм2.
Испытание на сжатие производят на цилиндрических образцах
высотой и диаметром от 10 до 25 мм, как правило, на тех же маши-
нах, что и на растяжение. Для этой цели применяют специальные
приспособления, преобразующие растягивающие нагрузки в сжимаю-
щие. Существуют и специальные машины для испытания’ на сжатие.
Степень осадки при сжатии е определяют по формуле
е= 100%>
h
где h и — высота образца до и после осадки. Остальные характе-
ристики определяются по таким же формулам, как и при растяже-
нии.
Испытания на улар. Эти испытания позволяют определять спо-
собность металла противодействовать динамическим нагрузкам и
выявлять склонность металла к хрупкому разрушению при различ-
ных температурах.
Для испытаний применяют стандартные образцы квадратного или
прямоугольного сечения с надрезом или без него. Образец устанав-
ливают на двух опорах 6 стоек <3 специального копра (рис. 36, а, б).
Маятник 1, падая с высоты Н (положение /), разрушает образец 5
(положение //) и по инерции поднимается на высоту h (положение
III). Маятник останавливают ручкой 4 тормоза. Работа Ли, затра-
ченная на разрушение образца, определяется по шкале 2 в соответ-
ствии с формулами:
Иц = Р (И — h), Лп = Pl (cos P — cos a).
Удельную ударную вязкость определяют по формуле
где ап — работа, затраченная на разрушение образца, Дж/м2; Fo —
площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м2/(см2).
Испытания на усталость. Разрушение металлов под действием
многократных (повторно-переменных) нагрузок, изменяющихся но
84
величине и знаку, при напряжениях, меньших предела прочности
на растяжение, называют усталостным. Способность металлов выдер-
живать большое число циклов называют выносливостью aw, или цик-
лической прочностью.
Циклы бывают симметричные, когда наибольшее атах и наимень-
шее (Мп напряжения равны, но противоположны по знаку, и асим-
метричные, характеризующи-
еся различными по величи-
не наибольшими и наимень-
шими напряжениями.
Испытания обычно про-
водят на цилиндрических об-
разцах путем воздействия на
них при вращении изгибаю-
щих нагрузок, которые вы-
зывают знакопеременные на-
пряжения (рис. 37, а) и до-
водят образец до разрушения.
В результате усталостного
разрушения в сечении образ-
ца получается характерный
излом (рис. 37, б), в котором
можно заметить две зоны:
наружная имеет гладкую по-
верхность, а внутренняя —
шероховатую со следами
хрупкого разрушения метал-
ла.
Обычно стальные образцы
испытывают до 5 млн. пере-
менных циклов.
Испытания на твердость.
Определение числа твердости
по Бринеллю. Твердость ме-
талла определяют путем
вдавливания стального ша-
рика в изделие. Для этого
применяют стальные закален-
ные шарики различного ди-
аметра D, для которых вы-
бирают определенную на-
грузку вдавливания Р и вре-
мя выдержки под нагрузкой.
Рис. 36. Схема испытания па удар
Рис. 37. Схема измерения напряжения
при испытании на усталость (а) и излом
образца (б)
Число твердости по Бринеллю НВ (в Н/м2) равно отношению
нагрузки Р к площади отпечатка F:
НВ = P/F = P/nDh = 2Pik {D — ^D2 — d2),
где d — диаметр отпечатка, измеренный после снятия нагрузки
(рис. 38, a); h — глубина отпечатка, вычисленная по D и d.
85
Чем тверже металл, тем выше число твердости НВ. Для определе-
ния твердости металла рекомендуется применять стальные шарики
следующих диаметров: 2,5; 5 и 10 мм для металла толщиной соответ-
ственно до 3; 3—6 и более G мм. Между диаметром шарика и нагрузкой
существует определенная зависимость. Так, для черных металлов Р =
= 30 D2; для меди, бронзы и латуни Р = 10 D2; для алюминия и под-
шипниковых сплавов Р = 2,5 D2.
Рис. 38. Схема испытания на тпердосты
о —• по Бринеллю; б — по Роквеллу; о — по Виккерсу
Определение числа твердости и оРоквелл у.
В поверхность испытуемого металла вдавливают наконечник под
действием предварительной и окончательной нагрузок (рис. 38, б).
В качестве наконечников для твердых металлов применяют алмазный
। опус с \1.том при вершине 120°; для мягких металлов — стальной за-
каленный шарик диаметром 1,59 мм (1,16"). Предварительная на-
грузка Р( равна 1,00 Н (10 кге), а окончательная Р2 при испытании
алмазным конусом 1,5 кН (150 кге шкала С) или 0,6 кН (60 кге,
шкала Л) при испытании шариком 1 кН (100 кге, шкала В).
Число твердости по Роквеллу определяют по формуле
HR = [tf—(ft2—*,)]/&,
где Л2 н ht — глубины внедрения наконечника под действием нагру-
зок соответственно Р2 и Ри мм; К — постоянное число, имеющее раз-
мерность мм; b — цена деления шкалы индикатора, соответствующая
углублению шарика или конуса на 0,002 мм.
В зависимости от шкалы, по которой определяют число твердости,
приняты следующие обозначения: HRA, HRB и HRC.
Определение числа твердости алмазнойпи-
рамидой (по Виккерс у). При определении твердости этим
методом в испытуемый металл вдавливают четырехгранную алмазную
пирамиду с углом при вершине 136°. При этом применяют нагрузки
от 50 до 1200 Н (5—120 кге). После действия нагрузки на образце
остается отпечаток (рис. 38, в).
Число твердости представляет собой нагрузку, приходящуюся
па единицу поверхности отпечатка. Его определяют по формуле
НВ = 2PsinO,5a/dz,
£6
где Р — нагрузка на пирамиду; d — длина диагонали отпечатка;
а — угол при вершине пирамиды.
Измерение микротвердости. В некоторых случаях необходимо
определить твердость отдельных структурных составляющих сплава.
Для измерения микротвердости используют в основном два метода:
вдавливание и царапание. При вдавливании применяют алмазную
пирамиду с квадратным основанием и углом при вершине 136°, ис-
пользуя малые нагрузки 1 Н (100 кге). Диагонали отпечатков измеря-
ют под микроскопом.
При втором методе определения микротвердости на поверхность
металла наносят царапину алмазным острием под действием опреде-
ленной нагрузки. Ширина царапины измеряется специальным
микроскопом. При этом за величину твердости принимают ширину цара-
пины при некоторой постоянной нагрузке или величину нагрузки,
при которой получается определенная ширина царапины.
§ 2.	Технологические испытания металлов
Способность металла подвергаться различным видам деформации
выявляют обычно при технологических испытаниях образцов. О ре-
зультатах технологических испытаний металлов судят по состоянию
их поверхности. Если после испытания на поверхности образца не
обнаружены внешние дефекты, трещины, надрывы, расслоения или
излом, то металл выдержал испытание.
Испытание на выдавливание применяют для определения способ-
ности листового металла подвергаться холодной штамповке и вытяжке.
Образец закладывают в специальный прибор, в котором пуансоном
с шаровой поверхностью выдавливается лунка до появления первой
трещины в металле.
Характеристикой пластичности металла является глубина лунки
до разрушения металла.
Испытание на изгиб сварных швов проводят для определения
вязкости сварного соединения, выполненного встык. Образец свобод-
но устанавливают на двух цилиндрических опорах и подвергают изгибу
до появления первой трещины. Характеристикой вязкости является
величина угла изгиба.
Испытание на изгиб в холодном или нагретом состоянии прово-
дится для определения способности листового металла принимать
заданный по размерам и форме изгиб. Образцы для испытания выре-
зают из листа без обработки поверхностного слоя .
При толщине листового металла больше 30 мм испытание па изгиб
обычно не проводят. Для осуществления пробы на изгиб применяют
прессы или тиски.
Испытание на осадку в холодном состоянии применяют для опре-
деления способности металла принимать заданную по размерам и фор-
ме деформацию сжатия. Испытаниям подвергают прутки, направлен-
ные в ковку и предназначенные для изготовления болтов, заклепок и
и т. д. Образец должен иметь диаметр, равный диаметру испытуемого
прутка, и высоту, равную двум диаметрам прутка. В этой пробе сбра-
87
зец осаживают ударами кувалды до высоты, заданной техническими
условиями.
Проба на расплющивание необходима для определения способно-
сти полосового, пруткового или листового металла принимать за-
данное расплющивание.
Проба навиванием проволоки диаметром до 6 мм предназначена
для определения способности металла выдерживать заданное число
витков. Проволоку навивают на оправку определенного диаметра.
После навивки на проволоке не должно быть поверхностных дефектов.
Пробу на перегиб проволоки применяют для определения способ-
ности металла выдерживать повторный загиб и разгиб. Испытанию
подвергают круглую проволоку и прутки диаметром 0,8—7 мм со ско-
ростью около 60 перегибов в минуту до разрушения образца. Длина
образца 100—150 мм.
Проба на двойной кровельный замок предназначена для определе-
ния способности листового металла толщиной менее 0,8 мм принимать
заданную по размерам и форме деформацию. При испытании два листа
соединяют двойным замком. Угол загиба, число загибов и разгибов
замка указывают в технических условиях.
Проба на изгиб трубы диаметром не более 115 мм в холодном или
горячем состоянии нужна для определения способности металла при-
нимать заданный по размерам и форме загиб. Образец трубы длиной
не менее 200 мм, заполненный сухим песком или залитый канифолью,
загибают ла 90° вокруг оправки, .радиус которой указывают в техни-
ческих условиях.
Проба на сплющивание трубы необходимо для определения способ-
ности металла подвергаться деформации сплющивания. Образец дли-
ной, равной примерно наружному диаметру трубы, сплющивают уда-
рами молотка (молота, кувалды) или под прессом до размеров, ука-
занных в технических условиях.
§ 3.	Методы исследования структуры металлов и сплавов
Механические и технологические свойства металлов и сплавов
в значительной степени зависят от их структуры. К методам, изучаю-
щим строение металлов и сплавов, относят рентгеноструктурный и
металл огр афически й.
Рентгеиоструктурным методом исследуют внутреннее строение
кристаллических решеток, фазовый состав, величину зерен и т. д.,
используя специальные образцы (в том числе и порошка). Кроме
того, рентгеновский метод (иа просвечивание) применяют для контро-
ля литых, кованых и сварных деталей, выявления раковин, пустот,
пористости, непроваров и т. д. Современные рентгеновские установки
позволяют контролировать стальные детали на глубину до 100 мм,
сплавы на алюминиевой основе—до 400 мм, сплавы на медной основе—
до 60 мм.
Металлографическим методом исследуют макро- и микроструктуру
металлов и сплавов. Структуру металла, видимую невооруженным
88
глазом или при небольших увеличениях (до 30 раз), называют макро-
структурой.
Макроскопический анализ позволяет выявить величину, форму
и расположение кристаллических зерен в литом металле, направление
волокон в деформированном металле, усадочные и газовые раковины,
усадочные рыхлости, трещины, химическую неоднородность металла
характер его излома и т. д.
Обычно макростроепие металла изучают па макрошлифах или
по изломам. Макрошлиф представляет собой специально подготов-
ленную к исследованию часть детали или заготовки. Поверхность
макрошлифа шлифуют наждачной бумагой или на специальном
станке. Шлифы подвергают глубокому травлению в различных
реактивах.
При микроскопическом исследовании струк-
туры металлов используют оптические или электронные микроскопы.
Обычно применяют металлографические микроскопы с увеличением
50—3000 раз. Это позволяет определить микроструктуру металла
(величину и форму зерен, структурные составляющие, вид и распре-
деление неметаллических включений и др.) на специальных
шлифах.
Для этого из изделий вырезают цилиндрики диаметром и высотой
10—15 мм или кубики с ребром около 10 мм. Одну из плоских по-
верхностей микрошлифа обрабатывают шлифовальной бумагой, а за-
тем полируют на сукне до зеркального блеска. Качество изготовления
шлифа проверяют под микроскопом. При этом наблюдают также
распределение неметаллических включений (графита, сульфидов,
окислов и т. д.).
Для выявления структуры шлиф подвергают травлению в слабых
спиртовых или водных растворах кислот или щелочей, а также в сме-
си различных кислот. В результате травления на поверхности шлифа
появляется микрорельеф вследствие неодинаковой травимости струк-
турных составляющих, границ зерен и зерен. Этот микрорельеф соз-
дает сочетание света и тени при рассмотрении шлифа в микроскоп.
Исследование структуры ведется в отраженном свете. Структура, про-
травленная в большей степени, оказывается под микроскопом более
темной по сравнению с менее протравленной.
Электронный микроскоп дает увеличение до 100 000 раз, что зна-
чительно расширяет область применения микроструктурного анализа.
В этом микроскопе вместо световых используют электронные лучи,
испускаемые вольфрамовой раскаленной спиралью.
В настоящее время разработаны способы микроскопического ис-
следования образцов металла в вакууме. В результате стало возмож-
ным наблюдение структур металлов и сплавов при повышенных тем-
пературах.
Советскими учеными создан ультрафиолетовый микроскоп, поз-
воляющий фотографировать микрошлифы в ультрафиолетовой об-
ласти спектра, что очень важно для расшифровки строения сложных
многофазных сплавов.
89
§ 4.	Физические методы исследования
К физическим относят термический, дилатометрический, электри-
ческий, магнитный и другие методы исследования. По изменению тех
или других физических свойств сплава можно определять происходя-
щие в нем превращения. Например, температуры аллотропических
превращений железа можно определить по изменению объема или
длины (дилатометрический метод) или электросопро-
тивления (электрический метод) при нагреве и охлажде-
нии стандартных образцов.
М агнитный метод применяют для исследования превра-
щений в сплавах. Этот метод основан па зависимости магнитных свой-
ств сплава от структуры или состава. Магнитный метод контроля
позволяет также выявлять (главным образом в чугунах и сталях)
мелкие трещины, раковины, поры, расположенные близко к поверх-
ности, а также качество термической обработки. Существуют кроме
того, и другие методы испытаний самих деталей без их разрушения.
Метод радиоактивных изотопов (меченых ато-
мов) применяют для изучения процессов диффузии, распределения
различных специальных элементов, введенных в сплав, и др. Наблю-
дая следы перемещения меченых атомов, можно установить распре-
деление различных структурных составляющих сплава.
Глава VIII
ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
§ L Деформация металлов
Под действием приложенных сил в металле возникают напряжения,
которые вызывают деформации, изменяющие форму и размеры метал-
лического тела. Эти силы могут быть внешними или возникать в ре-
зультате различных физико-химических процессов. Деформация ме-
талла может быть упругой, полностью исчезающей после снятия
нагрузки и пластической (остаточной). При упругой деформации сме-
щение атомов незначительно, и они после снятия нагрузки возвраща-
ются в исходное положение. При пластической деформации происхо-
дит необратимое смещение атомов без разрушения металла.
Физическая сущность пластической деформации монокристалла
(единичного кристалла) заключается в том, что напряжения вызывают
перемещение дислокаций (см. рис. 21—23), при которых верхняя часть
одного зерна (кристалла) сдвигается на один межатомный промежуток
по отношению к его нижней части. В некоторых случаях под действием
касательных напряжений одна часть зерна смещается по отношению
к другой и является как бы его зеркальным отражением. Такую де-
формацию называют двойникованием. Любой процесс деформации
при возрастании напряжений до предельных величин заканчивается
хрупким или вязким разрушением.
90
Хрупкое разрушение не сопровождается сколько-нибудь заметно";
пластической деформацией; излом при таком разрушении гладкий,
блестящий. Вязкому разрушению предшествует более или менее зна-
чительная пластическая деформация; излом получается неровный,
матовый. В реальных случаях часто наблюдается смешанный тип
разрушения.
Пластическая деформация поликристалличсского металлического
тела осуществляется аналогично пластической деформации моно-
кристалла. Однако в пол и кристаллическом металле на процесс пла-
стической деформации внутри отдельных зерен накладываются про-
цессы поворота или взаимного скольжения зерен. Отдельные зерна
поликристаллического тела вследствие различной кристаллографи-
ческой ориентировки деформируются по-разному. Прежде всего де-
формируются те зерна, в которых плоскости скольжения наиболее
благоприятно расположены по отношению к приложенной силе. На
первом этапе пластической деформации в отдельных зернах появляются
линии сдвигов. По мере развития пластической деформации проис-
ходит дробление блоков мозаичной структуры, поворот зерен относи-
тельно друг друга и изменение их формы.
При увеличении деформации зерна вытягиваются по направлению
действия силы, образуя волокнистую структуру. При больших сте-
пенях пластической деформации в поликристаллическом металле
образуется определенная ориентировка зерен, называемая текстурой.
Металл приобретает анизотропию свойств. Прочность вдоль вытянутых
зерен (по направлению деформации), больше, чем в поперечном на-
правлении.
В результате сдвига и двойникования вдоль плоскости сдвига и в
прилегающих к ней объемах наблюдается искажение кристаллической
решетки, которое вызывает упрочнение металла. При увеличении
деформации скольжение происходит уже в другой параллельной
плоскости, а в данной плоскости сдвиг затормаживается. Таким обра-
зом, процесс скольжения в реальных кристаллах приобретает ступен-
чатый характер. Образующиеся линии скольжения, видимые в от-
дельных зернах, являются результатом скольжения множества парал-
лельных плоскостей.
Исследованиями установлено, что в кристаллической решетке
процесс скольжения с плотным расположением атомов происходит
легче и более затруднен в плоскостях и направлениях с наименьшей
плотностью расположения атомов. Как указывалось ранее, легкое пере-
мещение атомов по плоскостям скольжения объясняют наличием в них
дислокаций. Пластическая деформация поликристаллическогомсталла
увеличивает его прочность и уменьшает пластичность.
Нагартовкой, или наклепом, называют упрочнение металлов в про-
цессе пластической деформации.
Непрерывное возрастание напряжений в процессе деформации
заканчивается хрупким или вязким разрушением. Хрупкое разруше-
ние не сопровождается сколько-нибудь заметной пластической де-
формацией.
91
Вязкому разрушению всегда предшествует значительная пласти-
ческая деформация. Излом образца неровный, матовый. Практически
чисто хрупкое или чисто вязкое разрушение металлов наблюдается
редко,
§ 2. Отдых и рекристаллизация
Пластическая деформация придает металлу неустойчивое состояние
благодаря искажению кристаллической решетки и появлению внут-
ренних напряжений. Наклепанный металл даже при комнатной темпе-
ратуре претерпевает превращения, возвращающие металл в более
устойчивое состояние. Для ускорения этих процессов повышают
температуру.
Нагрев наклепанного металла до температуры 0,25—0,40 Тпл (в
градусах Кельвина) устраняет остаточные искажения кристалличе-
ской решетки, что приводит к некоторому снижению твердости и
прочности и повышению пластичности. Отдыхом, или возвратом, на-
зывают частичное восстановление механических свойств в результате
снятия остаточных искажений кристаллической решетки без заметных
изменений структуры.
При более высоких температурах вместо деформированных, вытя-
нутых зерен постепенно образуются новые равноосные. При этом
металл полностью разупрочняется; механические и физические его
свойства достигают исходных значений. Такой процесс называют ре-
кристаллизацией.
Температура начала рекристаллизации зависит от природы металла,
степени его наклепа и других факторов. Чем больше, как правило,
степень деформации, тем ниже температура рекристаллизации.
В процессе рекристаллизации металлов, аналогично процессу
кристаллизации, возникают новые зародыши (центры кристалли-
зации) с последующим их ростом. Рекристаллизацию, при которой
деформированные зерна заменяются новыми стабильными, называют
рекристаллизацией обработки. При более высоких температурах
происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других.
Этот процесс называют собирательной рекристаллизацией.
Температуру рекристаллизации определяют в зависимости от
абсолютной (термодинамической) температуры плавления Тт металла.
По данным академика А. А. Бочвара, 7рскр = (0,34-0,4) Гпл для чис-
тых металлов и Трекр (0,64-0,8) 7ПЛ для сплавов.
Размер зерен после рекристаллизации зависит от температуры
рекристаллизации и степени предшествующей пластической деформа-
ции. Чем выше температура рекристаллизации, тем больше размер
зерен. Степень деформации, при которой получаются крупные рекрис-
таллизованные зерна, называют критической.
Изменение размера зерен в зависимости от предшествующей сте-
пени деформации объясняется различным механизмом их образова-
ния. Увеличение степени деформации приводит к росту плотности
дислокаций преимущественно в объемах, прилегающих к границам
зерен. При небольшой степени деформации плотность дислокаций воз-
92
растает незначительно, что практически не влияет на размер зерен
после рекристаллизации.
При критической степени деформации плотность дислокаций на
границах зерен достигает таких значений, при которых возможно
взаимное уничтожение дислокаций. Это способствует постепенному
уменьшению дислокаций на границах зерен и слиянию нескольких
Рис. 39. Диаграмма рекристаллизации железа
небольших зерен в одно более крупное. При степени деформации
больше критической новые зерна образуются путем зарождения цент-
ров кристаллизации с последующим их ростом. Зависимость между
размером зерна, температурой нагрева и степенью деформации для
каждого металла можно проследить на его пространственной диа-
грамме рекристаллизации (рис. 39). Эта диаграмма имеет большое
практическое значение, так как позволяет определять необходимую
температуру нагрева и степень деформации рекристаллизованного
металла для получения мелкого зерна.
Многие металлы можно пластически деформировать в холодном
состоянии, т. е. при температурах ниже температуры рекристаллиза-
ции, и в горячем состоянии — заканчивая процесс деформации
выше этой температуры. Эти два способа по-разному влияют на струк-
туру и свойства деформируемого металла. Как уже отмечалось, после
холодной пластической деформации структура металла становится
волокнистой; под влиянием наклепа металл упрочняется, а его вяз-
кость и пластичность ухудшаются. В таком состоянии металл термо-
динамически неустойчив и обладает повышенным запасом внутренней
энергии. Последующий нагрев позволяет вернуть металл в более
устойчивое состояние, что связано, в частности, с разупрочнением.
93
Горячая пластическая деформация улучшает свойства металла; повы-
шается его плотность, завариваются усадочная и газовые раковины,
уничтожается дендритная структура.
Иногда применяют неполную горячую обработку (полу горя чую,
теплую), основной признак которой — окончание деформации
при температуре несколько ниже температуры рекристаллизации.
Глава IX
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ
Железо — металл серебристо-серого цвета, четвертого периода,
восьмой группы таблицы Д. И. Менделеева, обладающий очень высо-
кой пластичностью. Чистое железо содержит не более 0,01 % примесей
и является очень дорогим металлом. На практике применяют техни-
ческое железо, содержащее до 0,1% в сумме примесей (С, Мп, Si, S,
Р и др.).
Механические свойства железа в зависимости от степени его чисто-
ты и величины зерен изменяются в следующих пределах:
Твердость по Бринеллю НВ, МН/м2
(МПа) ............................
Предел прочности при растяжении зв,
МН/м2 (МПа).......................
Удлинение 6, %......................
Сжатие ф, %.........................
Ударная вязкость ан, МДж/м2,
(кгс-м/см2).......................
580—800
ГО—280
30—50
70—80
16—20 (1.6—2,0)
Железо легко сплавляется с многими элементами. В технике широко
применяют сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, хро-
мом. никелем и другими элементами. Если в сплаве железа содержится
до 2% углерода, его называют сталью, если более 2% углерода —
чугуном.
Углерод — неметаллический элемент второго периода, четвертой
группы, имеет три аллотропические модификации: уголь, графит и
алмаз. Графит имеет незначительную прочность и слабо выраженные
металлические свойства.
§ 1.	Основные структуры железоуглеродистых сплавов
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов можно
рассмотреть под микроскопом на полированном и травленном шлифе.
Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в а-железо.
Он мягкий (НВ 65—130), пластичный (6 — 40%), сильно магнитен,
хорошо проводит тепло и электричество.
При комнатной температуре в феррите содержится 0,002%С, а при
727° С содержание углерода в феррите (и в 6 - железе) — около
0,1%. В феррите кроме углерода может находиться некоторое коли-
94
чество кремния, марганца, фосфора и др. Кристаллическая решетка
феррита — кубическая объемно-центрированная с координационным
числом 8, г. е. такая же, как и у чистого ct -железа.
Цементит (Ц) — карбид железа FesC. В нем содержится 6,67% С.
Цементит имеет металлический блеск и сложную кристаллическую
решетку, обладает большой твердостью (НВ 800) и хрупкостью. Он
слабо магнитен, плохо проводит электрический ток и тепло. Темпера-
тура плавления цементита около 1500° С. Цементит — неустойчивое
химическое соединение и при высоких температурах распадается на
железо и углерод по реакции Fe3C — 3Fe + С.
Аустенит (А) — твердый раствор внедрения углерода в -у-железо,
имеющий кубическую гранецентрированную кристаллическую решет-
ку с координационным числом 12. Аустенит немагнитен, сравнительно
мягкий (НВ 170—200). Максимальная растворимость в нем углерода
при 1147° С составляет 2%, при 727° С — 0,8%.
Ледебурит (Л) — механическая смесь (эктектика), состоящая
из аустенита и цементита и содержащая 4,3%С. Он образуется при
затвердевании (с распадением на аустенит и цементит) из жидкого
расплава при 1147° С. В интервале температур 1147—727° С представ-
ляет собой механическую смесь аустенита и цементита, а ниже 727° С
состоит из феррита и вторичного цементита. Ледебурит отличается
высокой твердостью (НВ 700) и хрупкостью.
Перлит (П) — механическая смесь (эвтектоид), состоящая из
очень тонких пластинок или зерен цементита и феррита; образуется
в результате распада аустенита при 727° С. Содержание углерода
в перлите равно 0,80%. Перлит бывает пластинчатый и зернистый, что
определяется формой цементита (пластинки или шарообразные зерна).
Механические свойства перлита зависят от размеров и формы це-
ментита — пластинчатого или зернистого (ов = 820 МН/м2; б =
₽15%; НВ 160).
Каждая точка диаграммы состояния «железо — цементит» харак-
теризует определенный состав сплава при данной температуре.
§ 2.	Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
Диаграмма состояния Fe—С (рис. 40) включает все сплавы (сталь,
чугун), имеющие практическое применение. Она является результатом
работ многих ученых и непрерывно уточняется вплоть до нашего вре-
мени. Практически максимальное содержание углерода в сплавах с же-
лезом равно 6,67%. Это значение соответствует содержанию углерода
в карбиде железа Fe3C (химическое соединение, которое следует
рассматривать как самостоятельный компонент).
На диаграмме нанесены сплошные и пунктирные линии. Это свя-
зано с тем, что углерод в сплавах может находиться в элементарном
виде (графит) и в виде химического соединения (цементит).
Таким образом, диаграмма состояния системы железо — углерод
может иметь два варианта: 1) система железо — цементит (метастабиль-
ная) и 2) система железо—графит (стабильная). Рассмотрим диаграм-
му состояния системы железо—цементит (сплошные линии).
95
Верхняя часть диаграммы железо—цементит. Точка Л на диаграмме
показывает температуру плавления чистого железа, а точка D' пока-
зывает температуру плавления цементита. Процесс кристаллизации
расплава начинается по линии A BCD (линия ликвидуса). Выше ли-
« а - 1600
JSepSHuA rcw
pemvop e_J5S5
ТберЗый 1500
райвбар о
твердый jt,EI
paantepy и'
ш
900
13BD
120В
1100
Жидмат>+
Е‘
тт
ГЦ| ЦеМСШтРР (ПСрВИЧИЫХ) 1
gl	(аустишп .
Жиакпть* о.ригг-
тпамы inlepSo-
рпстйорах
I Лусп1енигп+ реыент-ет
/л У {(анавенипыце^енжт)
у |	। '
^; + /иуС.7.Т№П1
; /Даче™™!
/ Hfrnapuwblil}
----1-----г
ТдерЗыв раствор i
(вуСРПЁРИТП) I
Зи°
800
Твердый	М_•
peconlop nnn
(феррит) 1
Феррите реме,ч-
тит
(третичный)1- 11
О’
 iiewM!7iu.T)
д ^каапь->ирит1№РЬ1„тОерОЕге
рпстЗора о
...gmappiptiii! IПериит+цемеитат дторич-\%3е0при^'^neppuintlle-
цементит) у | [ X)i	,
Г 2 Г 3	4 V 1	5	1 б
ЩК5" ZJSf

НО lOO^FtjC
'10	20
30	40	50	60	70 SO
	Рис. 40.	Диаграмма состояния	железоуглеродистых сплавов:
		А 1539 Температура	плавлсияя железа
В	1493	(0.3% С)	Состав жидкой фазы при перитектиче- ской реакции
J	1493	(0.18% С)	Состав аустенита при перитектической реакции
н	1493	(0,1% С)	Состав феррита при перитектической реакции
N	1392	о	Алло троп и ч еск ое превращение
С	1147	(4,3% С)	Состав эвтектики (ледебурит)
D	1600	(6,67% С)	Температура пл а влей п я	цементит а
ь	1147	(2,0% С)	Прсделыгая растворимость углерода в Fe^
5	727	(0,80% С)	Состав эвтектоида (перлит)
Р	727	(0,025% С)	Предельная растворимость углерода в а- железе
К	727	(6.67% CJ	Состав цементита
Q	20	(0,01% С)	Минимальная растворимое гь углерода в железе
нии ликвидуса (область Г) сплав находится в жидком состоянии
и представляет собой однородную систему.
Линия AHJECF является линией солидуса. Сплавы, лежащие ниже
этой линии, находятся в твердом состоянии. При температурах между
линиями ликвидуса и солидуса происходит кристаллизация сплавов.
В период кристаллизации одновременно существуют две фазы — жвд-
96
кий сплав и кристаллы твердых растворов. Рассматривая линию
A BCD, можно отметить, что с увеличением содержания углерода
в железе до 4,3% температура плавления сплава понижается, а с даль-
нейшим повышением содержания углерода (участок CD) температура
плавления сплава увеличивается. На участке линии ликвидуса АВ
выделяются кристаллы 6-раствора, состав которых определяется ли-
нией АН. Состав жидкой фазы изменяется по линии АВ. Предельную
растворимость углерода (0,1%) в Fee при температуре 1493СС пока-
зывает точка Н. На линии HJB при температуре 1493°С жидкость,
содержащая 0,5% С (точка В), реагируете ранее выпавшими кристалла-
ми 6-раствора и образуют кристаллы нового вида. Реакцию подобного
типа называют перитектической. В результате этой реакции образуют-
ся кристаллы аустенита, содержащего 0,18%С (точка </).
По линии ВС при понижении температуры из расплава выпадают
кристаллы аустенита переменного состава, в которых содержание угле-
рода от 0,5 до 4,3% меньше, чем в жидкой фазе, из которой они вы-
деляются. Изменение состава жидкой фазы с понижением температуры
происходит по линии ВС, а выпавших кристаллов — по линии JE
(линия солидуса). Если сплавы содержат до 2,0% С, то их кристалли-
зация заканчивается при температуре выше 1147°С. Кристаллизация
сплавов, содержащих 2—4,3%, заканчивается полностью по линии
ЕС при температуре 1147° С, где жидкая фаза обогащается углеродом
до 4,3%. Одновременно из расплава выпадают кристаллы аустенита,
содержащие 2% С (точка Е) и цементита, содержащего 6,67% С (точ-
ка F). Механическая смесь кристаллов цементита и аустенита образует
ледебурит (точка С).
Сплавы, лежащие правее точки С, т. е. содержащие от 4,3 до 6,67%
С, кристаллизуются по линии CD. В начале кристаллизации из распла-
ва выделяется первичный цементит. По мере выпадения из жидкого
расплава первичного цементита содержание углерода в жидкой фазе
уменьшается. При температуре 1147°С (линия CF) оставшийся расплав
содержит 4,3% С и затвердевает с образованием ледебурита (эвтекти-
ки). В результате окончательно затвердевший сплав (ниже линии CF)
состоит из первичного цементита и ледебурита.
Сплавы, находящиеся влево от точки С (содержащие до 4,3% С),
называют доэвтектическими, а сплавы, находящиеся вправо от точки
С (содержащие более 4,3% С) — заэвтектическими. Между линиями
ликвидуса ABCD и солидуса AHJECF (области II и III) железо-
углеродистые сплавы состоят из жидкой и твердой фаз, причем с пони-
жением температуры количество твердой фазы увеличивается.
Таким образом, непосредственно после окончания затвердевания
структура доэвтектических сплавов состоит из аустенита и леде-
бурита, структура эвтектического сплава из ледебурита и структура
заэвтектических сплавов из первичного цементита и ледебурита.
Нижняя часть диаграммы системы железо—цементит. Ниже линии
солидуса AHJECF в затвердевших сплавах при понижении темпера-
туры наблюдаются дальнейшие изменения их структуры, связанные
с перекристаллизацией в твердом состоянии. Такие изменения называ-
ют вторичной кристаллизацией. С понижением температуры железо
07
переходит из одной модификации в другую (FeT->Fea) и раствори-
мость углерода в Fey и Fea заметно уменьшается.
Доэвтектические сплавы (до 2 % С) в области IV состоят из одного ,
аустенита. При охлаждении сплавов, содержащих менее 0,8% С (левее |
точки S), ниже линии GOS происходит распад аустенита с выделением 1
из него избыточного феррита. Так как феррит, выделяющийся при ох- '
лаждении аустенита по линии GOS, содержит не более 0,025% С
(предельная растворимость углерода в Fea, точка Р), аустенит не-
сколько обогащается углеродом, изменяя состав по линии SE. Кристал-
лы феррита изменяют свой состав по линии GOS. Такой процесс
протекает до температуры 727°С. В этой точке при 0,8 %С аустенит рас-
падается на твердую однородную смесь кристаллов феррита и цемен-
тита — перлит. Пользуясь- правилом отрезков по диаграмме состоя-
ния (см. рис. 40), можно определить соотношение феррита и цементи-
та в перлите при 727° С
Q4,/Qu = SK/PS = (6,67 — 0,8)/0,8 » 7,
где Q — количество вещества.
Сплавы с содержанием 0,8% С называются эвтектоидными, мепее
0,8%)—доэвтектоидными и более 0,8% С — заэвтектоидными. При
охлаждении сплавов, лежащих правее точки S и содержащих более
0,8% С, ниже линии SE происходит распад аустенита с выделением
из него вторичного цементита. Так как выделяющийся вторичный
цементит содержит 6,67% С, концентрация углерода в остающемся
аустените изменяется по линии SE до состава точки S (0,8% С) при
727° С.
Таким образом, доэвтектоидные сплавы в области VIII состоят из
аустенита и феррита, а в области IX — из феррита и перлита. За-
эвтектоидные сплавы (0,8—2,0% С) в области V состоят из аустенита
и вторичного цементита, а в области X — из вторичного цементита
и перлита.
Сплавы, содержащие от 2,0 до 4,3% С, выше линии PSK, но ниже
линии ECF (область VI) состоят из аустенита, вторичного цементита
и ледебурита.
По линии PSK и ниже в этих же сплавах (область XI) происходит
превращение аустенита в перлит; структура сплава состоит из перли-
та, вторичного цементита и ледебурита. Сплавы, соответствующие
эвтектической точке С, ниже линии PSK имеют структуру одного леде-
бурита.
Сплавы, содержащие 4,3—6,7% С, ниже линии CF, но выше линии
PSK (область VII) состоят из первичного цементита и ледебурита;
ниже линии PSK (область XII) сплавы сохраняют эту структуру.
В нижией левой части диаграммы линия PQ показывает уменьше-
ние растворимости углерода в а-железе (феррите) с понижением тем-
пературы. По линии PQ выделяется третичный цементит. Следователь-
но, сплавы между точками Р и Q состоят из феррита и третичного
цементита.
Сплавы, находящиеся внутри области QPG, состоят только из
феррита.
68
§ 3.	Микроструктура железоуглеродистых сплавов
После медленного охлаждения сталь с низким содержанием угле-
рода (0,02%) состоит из одного феррита, который наблюдается под
микроскопом в виде светлых зерен различной формы и размеров.
С увеличением содержания углерода в доэвтектоидных сталях появляет-
ся новая структурная составляющая— перлит в виде отдельных не-
больших темных зерен между светлыми зернами феррита. С увеличе-
нием концентрации углерода количество перлита пропорционально
возрастает, а при содержании в стали 0,80% С структура состоит только
из перлита. Обычно перлит имеет пластинчатое или зернистое глобу-
лярное строение в зависимости от формы зерен цементита. В первом
случае под микроскопом перлит наблюдается в виде светлых и темных
полосок, а во втором — в виде мелких округлых зерен цементита,
равномерно распределенных в феррите. Зернистый перлит можно по-
лучить из пластинчатого путем длительной выдержки при температуре
около 700° С.
В заэвтектоилных сталях в ci руктуре перлита появляется новая
фаза — вторичный цементит, который наблюдается обычно в виде свет-
лой сетки между зернами перлита. С увеличением содержания угле-
рода количество цементита в заэвтектоидной стали возрастает. При
этом он остается в форме сетки.
Содержание углерода в стали можно определять с приемлемой точ-
ностью по структуре. В качестве примера возьмем сталь, содержащую
около 25% перлита и 75% феррита; это легко определяется под микро-
скопом (на глаз) или по микрофотографии. Не учитывая углерод фер-
рита, получаем, что 100% перлита содержат 0,8 % С; 25% перлита со-
держат х % С:
25  0,8 п ~
х _  —ь_ = 0,20% С.
с 100
В заэвтектоидной стали, содержащей, к примеру, 90% перлита
и 10% вторичного цементита, содержание углерода в образце также
можно определить расчетом: 100% цементита содержат 6,67% С; 10%
цементита содержат х % С
Ю - 6,67 А СС п- г
X = ---—:— __ 0,66% С.
100
Диаграмма состояния системы железо — углерод позволяет свя-
зать внутреннее строение железоуглеродистых сплавов с их химиче-
ским составом и условиями охлаждения.
На рис. 41 приведены упрощенная диаграмма состояния системы
железо — углерод и микроструктуры сплавов различного состава
после их затвердевания с умеренной скороствю охлаждения. На этом
же рисунке показаны кривые охлаждения выбранных сплавов; масштаб
температур диаграммы состояния и кривых охлаждения сплавов оди-
наков.
Охлаждение расплава (рис. 41, а), содержащего 0,025% С, ха-
рактеризуется отрезком 1—2. Кристаллизация сплава начинается в
95
точке 2 и заканчивается в точке 3. От точки 2 до точки 3 из жидкого
сплава выделяются кристаллы аустенита переменного состава, при-
чем концентрация жидкости изменяется по линии ликвидуса, а кон-
центрация твердой фазы — по линии солидуса. От точки 3 до точки 4
происходит охлаждение аустенита, от точки 4 до точки 5 — выделение
Рис. 41. Кривые охлаждения сплавов системы Fe — С (а) и микроструктура спла-
вов с различным содержанием углерода
из аустенита кристаллов феррита. На отрезке 5~6 охлаждается фер-
рит. На отрезке 6—7 при охлаждении ниже температуры 727° С из фер-
рита выделяется избыточный углерод в виде так называемого третично-
го цементита.
Затвердевший сплав имеет структуру феррита (светлые зерна раз-
личной величины и формы) и небольшое количество третичного цемен-
тита, располагающегося преимущественно по границам зерен феррита
(рис. 41, б).
Охлаждение сплава /<2 между точками 1—4 протекает так же, как
и сплава К,- От точки 4 до точки 5 из аустенита выделяется феррит.
На линии 5—5' происходит эвтектоидное превращение,!, е. аустенит
100
превращается в перлит. От точки 5' до точки 6 из феррита выделяется
третичный цементит. По мере увеличения содержания углерода
вплоть до 0,8% на микрофотографиях шлифов доэвтектодных сгалей
появляется перлит, который находится между светлыми зернами ферри-
та (рис. 41, в). При увеличении концентрации углерода в стали коли-
чество перлита пропорционально возрастает. На рис. 41, г показан
микрошлиф стали, содержащий 0,8% С (пластинчатый перлит).
Охлаждение эвтектоидного сплава Л’3, содержащего розно 0,8 % С,
между точками 7—4 аналогично предыдущему. По линии 4—4'
при температуре 727°С происходит эвтектоидное превращение. Охлаж-
дение от точки 4' до точки 5 связано с выделением из феррита третич-
ного цементита. На микрошлифе стали, содержащей 0,80% С, в поле
зрения микроскопа виден перлит.
Охлаждение заэвтектоидного сплава в первой фазе (между точ-
ками 1—4) протекает аналогично охлаждению эвтектоидного сплава
/<3. При дальнейшем охлаждении от точки 4 до точки 5 из аустенита
выделяются кристаллы вторичного цементита. По линии 5—5' про-
текает эвтектоидное превращение (аустенит с 0,8 % С превращается в
перлит того же состава), и от точки 5' до точки 6 из феррита выделяет-
ся третичный цементит.
Заэвтектоидные стали (рис. 41, 5), содержащие от 0,8% до 2% С,
состоят из перлита и вторичного цементита. При .медленном охлажде-
нии вторичный цементит кристаллизуется по границам зерен аустени-
та, образуя твердую и хрупкую оболочку в виде сетки. Выделение вто-
ричного цементита в виде сетки и цементита в виде пластинок нежела-
тельно, так как сталь с такой структурой обладает повышенной хруп-
коствю. Поэтому стремятся получить цементит в виде зерен.
Доэвтектический сплав (7Q охлаждается следующим образом: меж-
ду точками 1—2 сплав находится в жидком состоянии. Между точками
2—3 выделяются кристаллы аустенита переменного состава. На от-
резке 3—3' происходит эвтектическое превращение. От точки 3' до
точки 4 из аустенита выделяется вторичный цементит. По линии 4—4'
происходит эвтектоидное превращение и, наконец, между точками
4’—5 из феррита выделяется третичный цементит. На рис. 41,е при-
ведена микроструктура доэвтектического сплава — чугуна, содер-
жащего 3,5% С; на микрофотографии видны верлит, ледебурит и вто-
ричный цементит.
Охлаждение эвтектического сплава Кв, содержащгго 4.3% С,
протекает так: между точками 1—2 сплав находится в жидком состоя-
нии. Линия 2—2' соответствует эвтектическому превращению —-
жидкий сплав затвердевает с образованием ледебурита. По линии
2'—3 из аустенита выделяется вторичный цементит. Участок 3—3'
соответствует эвтектоидному превращению, а по линии 3'—4 из фер-
рита выделяется третичный цементит. .Микроструктура чугуна эв-
тектического состава, показанная на рис. 41, ж, состоит из ледебури-
та, в котором темные составляющие — продукты распада аустенита
(перлит), а светлые составляющие — цементит.
При охлаждении заэвтектического сплава в интервале точек
2—3 выделяются кристаллы первичного цементита. Линия 3—3'
101
отвечает эвтектическому превращению, по линии 3—4 из аустенита:,
выделяются кристаллы вторичного цементита. Линия 4—4' — эвтек-'
тоидное превращение в сплаве. Между точками 4' и 5 выделяется тре-
тичный цементит.
В структуре заэвтектических чугунов также имеется ледебурит,
но здесь он располагается между светлыми иглами первичного цемен-
тита, выпадающего из чугунного расплава при его затвердевании
(рис. 41, а).
§ 4.	Влияние некоторых элементов на свойства стали и чугуна
Сталь. Химический состав изменяет не только структуру, но
и свойства стали. Влияние углерода на структуру сплава подробно
рассмотрено при изложении диаграммы состояния системы Fe—С,
однако следует отметить, что с увеличением содержания углерода
повышается твердость, прочность, но снижается пластичность. На
механические свойства стали также влияет форма и размер частиц
ферритоцементитпой смеси. Твердость и прочность тем выше, чем
больше дисперсность частиц этой смеси. Если в стали содержится
цементит зернистой формы, а не пластинчатый, то она имеет пластич-
ность более высокую при одинаковой твердости. Содержание углерода
оказывает влияние на технологические свойства; с увеличением со-
держания углерода в стали улучшается обработка резанием, повыша-
ется закаливаемость и чувствительность к старению, перегреву, ох-
лаждению и одновременно ухудшается свариваемость. Большое влия-
ние на свойства стали оказывают различные примеси, которые разде-
ляют на постоянные или обычные, скрьные и случайные.
К постоянным примесям стали относятся Мп, Si, S и Р, а так-
же газы (азот, водород, кислород), а к случайным — примеси, ко-
торые попадают с шихтовыми материалами (например, в рудах со-
держатся Си, As, Сг и др.). Иногда к стали специально добавляют
серу и фосфор, так как они облегчают обработку резанием.
В общем случае сера, фосфор, кислород, водород и азот относятся
к вредным примесям.
Сера ухудшает пластичность и вязкость и придает стали красно-
ломкость, т. е. хрупкость при высоких температурах. Сера в железе
не растворяется, а образует сернистое железо (FeS), которое с железом
при 985D С создаст легкоплавкую эвтектику, располагающуюся в ос-
новном ио границам зерен. При нагреве выше 985° С эвтектика пла-
вится, разобщая зерна стали. При горячей обработке такой стали дав-
лением по границам зерен появляются трещины. Чем меньше в стали
содержание серы, тем сталь качественнее.
Фосфор вызывает хладноломкость, проявляющуюся в склонности
образовывать трещины при комнатной температуре и особенно при
температурах ниже нуля. Одновременно фосфор ухудшает пластич-
ность и вязкость. Фосфор растворяется в феррите и повышает прочность
стали. Однако при содержании выше 0,1 % Р хладоломкосТь стали
резко усиливается. Фосфор имеет большую склонность к ликвации при
кристаллизации стали. Это приводит к образованию отдельных участ-
ий
ков, богатых фосфором, при общем содержании его в стали менее
0,1 %. Высококачественные стали должны содержать не более 0,03% Р.
Марганец является раскислителем стали, нейтрализует вредное
влияние серы. Он растворяется в феррите и цементите. При обычном
содержании он повышает прочность стали.
Рис. 42. Микроструктура белых чугунов

Кремний при обычном содержании так же, как и марганец, повы-
шает прочность стали.
Чугун. Микроструктура чугуна зависит не только от химичес-
кого состава, но и от скорости охлаждения при переходе из жидкого
состояния в твердое. При сравнительно быстром охлаждении жидкого
чугуна углерод может выделяться в форме цементита, который распо-
лагается отдельными включениями в основной металлической массе.
Если в чугуне весь углерод находится в виде цементита, то чугун на-
зывают белым. Цвет излома такого чугуна белый, блестящий.
На рис. 42 показаны основные типы микроструктур белого чугуна
с различным содержанием углерода.
103
В доэвтектических чугунах (рис. 42, а, б) цементит располагается
между более темными зернами перлита (продукта распада аустенита).
Форма их соответствует форме первоначальных выделений аустенита.
Поэтому микроструктура белых чугунов сохраняет тот вид, который
она имела бы при высокой температуре (между линиями ECF и PSK
диаграммы состояния).
Микроструктура белого чугуна эвтектического состава представле-
на на рис. 42, в. Темные составляющие структуры ледебурита —
продукты распада аустенита (перлит), а светлые — цементит.
4	б)	6)	г)
Рис. 43. Микроструктуры серых чугунов
В структуре заэвтектических чугунов также имеется ледебурит,
располагающийся между светлыми иглами первичного цементита
(рис. 42, г).
При медленном охлаждении жидкого чугуна углерод выделяется
из расплава в виде графита, распределяющегося внутри металлической
массы в форме отдельных включений. Графит придает чугуну серый
цвет в изломе. В связи с этим чугуны, в которых наблюдается вкрап-
ление свободного графита, называют серыми. В серых чугунах графит
может иметь форму тончайших прожилок или пластинок (чешуек),
сфероидальных частичек и хлопьев. Графит уменьшает прочность
металлической массы чугуна и снижает его сопротивление ударным
нагрузкам.
Путем измельчения и более равномерного распределения графитовых
включений в основной металлической массе можно существенно улуч-
шить механические свойства серого чугуна. Процесс графитизации
серого чугуна регулируют изменением скорости охлаждения и леги-
рованием металлической основы.
Установлено, что различные элементы, искусственно вводимые в
состав чугуна при его выплавке, по-разному воздействуют на основ-
ную металлическую массу и степень графитизации чугуна. Например,
кремний способствует выделению углерода в виде графита, чем и улуч-
шает литейные свойства чугуна. Обычно в серых чугунах содержится
0,8—4,5% Si.
104
Марганец, наоборот, препятствует выделению углерода в виде
графите и способствует отбеливанию чугуна. Содержание в чугуне
до 1,2% марганца полезно, так как он увеличивает прочность и твер-
дость чугуна и частично обессеривает его. При более высоком содержа-
нии марганца чугун становится хрупким.
Фосфор повышает жидкотекучесть чугуна, поэтому содержание
его в небольших количествах (до 0,4%) допустимо. В ответственных
чугунных отливках должно быть по возможности меньше фосфора
(до 0,15%), так как он увеличивает хрупкость чугуна.
!Сера затрудняет выделение графита, увеличивает усадку и хруп-
кость чугуна, ухудшает его жидкотекучесть. Содержание в чугунах
брлее 0,1% серы не допускается.
Рис. 44. Микроструктуры высокопрочных
чугунов:
а — на перлитной; б—феррите-перлитной; #—феррит-
ной основе
Микроструктуры серых чугунов различного химического состава
показаны на рис. 43.
В зависимости от формы углерода и природы металлической осно-
вы различают следующие типы серых чугунов:
1)	ф е р р и т н ы е, в которых весь углерод находится в виде гра-
фита. Структура таких чугунов (рис. 43, а) —феррит (светлые зерна)
и графит (темные прожилки);
2)	феррито-перлитные, в которых часть углерода
находится в связанном состоянии, т. е. в виде Fe3C, входящего в сос-
тав перлита. Структура чугунов (рис. 43, б) — пластинчатый перлит
и феррит (светлые зерна) и графит (черные пластинки);
3)	перлитные; структура чугунов (рис. 43, в) — пластинча-
тый перлит и графит (черные пластинки);
4)	перлито-цементитные (половинчатые), в кото-
рых внешние слои имеют строение белого чугуна, а сердцевина — се-
рого чугуна. Структура половинчатого чугуна (рис. 43, а) — перлит
и цементит (светлые иглы и прожилки) и графит (черные пластинки).
К группе серых чугунов относят модифицированные, высокопроч-
ные и ковкие чугуны.
Для получения высокопрочного качественного чугуна в жидкий
металл вводят небольшое количество специальных присадок (моди-
105
фикаторов). Они изменяют структуру металлической основы чугуна,
почти не изменяя химического состава, и увеличивают его прочность.
В качестве модификаторов обычно применяют магний и ферросилиций,
а иногда одновременно и то и другое. Кроме того, в качестве моди-
фикаторов сейчас применяют и другие материалы.
На рис. 44 показаны микроструктуры высокопрочного чугуна
после модифицирования магнием и ферросилицием. В чугуне об-
разуется сфероидальный графит и происходит разложение цементита.
Следует отметить еще один способ графитизации чугуна. Белый
чугун подвергают длительному отжигу (томлению) при 900—1000° С.
В результате цементит разлагается и образуется углерод отжига. Полу-
ченный чугун называют ковким. От серого чугуна он отличается фор-
мой выделений графита в виде отдельных зерен или хлопьев. Структу-
ра основной металлической массы ковкого и серого чугунов одинако-
ва (может быть ферритной или перлитной). Соответственно ковкие чу-
гуны разделяют на перлитные (рис. 45, а) и ферритные (рис. 45, б).
Рис. 45. Микроструктуры ковких чугунов:
а — перлитного (структура — перли г и углерод отжига); б — ферритного
(структура феррит и углерод аглигэ)
Согласно ГОСТу существует 11 марок серого чугуна: СЧ-00, СЧ-
12-28, СЧ15-32, СЧ 18-36 к др. Марки расшифровывают следующим
образом: буквы СЧ означают серый чугун, две первый цифры— пре-
дел прочности при растяжении, вторые — при изгибе.
ГОСТ предусматривает девять марок чугунов, обладающих более
высокими прочностными свойствами: ВЧ50-2.0, ВЧ60-2, ВЧ45-5,
ВЧ42-12 и др. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, две первые
цифры — предел прочности при растяжении, вторые — относитель-
ное удлинение.
Марки ковкого чугуна: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6,
КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2. Буквы КЧ означают 'ровкий чу-
гун, две первые цифры — предел прочности при растяжении, вторая,
цифра — относительное удлинение.
106
Глава X
ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
§ 1.	Превращения в стали при нагревании
Структура железоуглеродистых сплавов при комнатной темпера-
туре зависит от их химического состава и скорости охлаждения ниже
линий 60S и SE (см. рис. 40). В результате медленного охлаждения
доэвтектоидные стали приобретают структуру феррита и перлита,
эвтектоидные — одного перлита и заэвтектоидныс — перлита и вто-
ричного цементита. Если любую из этих сталей нагревать, она будет
испытывать структурные превращения. Температурные точки, при
которых происходят такие превращения в твердом состоянии, принято
называть критическими.
Критические точки обусловливающие превращения в стали на
линии PSK, обозначают соответственно Ас, и ДГ]; на линии МО —
А,г и ЛГе; на линии GOS — А., и А,,; на линии HJB — ACi и ЛГ1
и на линии SE — Агт.
Рассмотрим превращения, происходящие в стали с различным со-
держанием углерода при ее нагреве от комнатной до температур выше
критических точек. При нагреве доэвтектоидной стали до температур-
ной области между критическими точками и сталь будет
состоять из феррита и аустенита. При дальнейшем нагреве (выше точ-
ки Аг„) структура этой стали станет чисто аустенитной. Ниже точки
(727°С) доэвтектоидпая сталь состоит из феррита и перлита;
нагрев выше этой точки приводит к превращению перлита в аустенит.
При очень медленном нагреве перлит превращается в аустенит
при постоянной температуре (727° С). При повышении скорости на-
грева превращение перлита в аустенит происходит уже в некотором
интервале температур, несколько выше 727° С. Чем выше температура
нагрева, гем быстрее перлит превращается в аустенит.
Эвтектоидная сталь, содержащая 0,8% углерода, при нагреве до тем-
пературы 727°С также состоит из перлита; при этой температуре весь
перлит превращается в аустенит.
Заэвтектоидиые стали, содержащие от 0,8 до 2% углерода, при на-
греве до температуры первой критической точки имеют структуру,
состоящую из перлита и вторичного цементита. При дальнейшем
нагреве перлит превращается в аустенит. Таким образом, в темпера-
турной области между точками А.л и А,т заэвтектоидиые стали име-
ют структуру аустенита и вторичного цементита.
Рост зерен аустенита происходит за счет превращения феррита.
Растворение цементита протекает медленнее, чем превращение ферри-
та. Это приводит к тому, что некоторое время будут одновременно
существовать две фазы — аустенит и цементит. При увеличении вре-
м’ни выдержки цементит полностью растворится в аустените; однако
последний будет неоднородным по содержанию в нем углерода. Для
выравнивания состава аустенита во всем объеме требуется дополни-
107
тельное время. При нагреве заэвтектоидной стали выше точки Аст
(т. е. линии SE) имеющийся в пей свободный цементит до конца раство-
рится в аустените и структура станет однородной.
Различают три характерных величины зерна: начальное, действи-
тельное и природное. Под начальным (исходным) зерном понимают
зерно, полученное в момент полного превращения перлита в аустенит.
Однако образовавшиеся сначала мелкие зерна аустенита неустойчивы
и растут в зависимости от температуры нагрева и времени выдержки.
Действительное зерно — это зерно, получаемое после термиче-
ской обработки. Конечные свойства стали в значительной мере опре-
деляются величиной действительных зерен. Их размеры зависят от
температуры и времени выдержки в надкритической области и от со-
держания углерода в стали. Величина исходного зерна аустенита
часто влияет решающим образом на размер действительных зерен
и тем самым на механические свойства стали после ее закалки. Ответ-
ственные стальные детали должны иметь мелкозернистое строение.
Наследственным (природным) зерном называют зерно, полученное
в результате специального испытания — нагрева стали до темпера-
туры 930—950° С с последующим быстрым охлаждением, фиксирую-
щим полученную при этой обработке величину зерна аустенита.
В целях желательного изменения структуры и получения более
высоких или специально заданных свойств изделия из металлов и
сплавов подвергают термической (т. е . тепловой) обработке. Такая
обработка заключается в изменении структуры сплава путем его пред-
варительного нагрева до заранее определенных температур, некото-
рой выдержке при этих температурах и последующего охлаждения
по заданному режиму. На практике применяют следующие основные
виды термической обработки металлов и сплавов: отжиг, нормализа-
цию, закалку, отпуск.
А. А. Бочвар предложил различать пять типовых групп термиче-
ской обработки.
Первая группа (отжиг первого рода или низкий отжиг) характери-
зуется отсутствием в сплавах фазовых превращений. Температура
нагрева для отжига (рекристаллизации) Т = 0,6—0,8 К, где К —
абсолютная (термодинамическая) температура плавления сплавов.
Этот отжиг применяют для снижения внутренних напряжений, умень-
шения твердости и повышения пластичности, в частности после холод-
ной обработки давлением.
Вторая группа (отжиг второго рода), или полный отжиг с фазовой
перекристаллизацией, а также нормализация, характеризуется фазо-
выми превращениями, происходящими в сплавах. Температура на-
грева сплавов для такого отжига выше температуры фазовых превра-
щений. Охлаждение ведется медленно (в случае нормализации — на
воздухе). Отжиг применяют для получения мелкозернистой структу-
ры литой стали, полного снятия внутренних напряжений, смягчения,
сфероидизации, улучшения структуры после обработки давлением
и т. д.
Третья группа термической обработки — закалка — характеризу-
зуется нагревом сплавов выше температуры фазовых превращений
108
и быстрым охлаждением. В результате при комнатной температуре
фиксируются промежуточные стадии структурного превращения стали.
Структуры, полученные после закалки, находятся в неравновесном со-
стоянии. После закалки прочностные свойства сплавов повыша-
ются.
Четвертая группа — отпуск — характеризуется нагревом спла-
вов ниже температур фазовых превращений с целью приближения их
к устойчивому равновесному состоянию. Отпуск применяют, как пра-
вило, после закалки. Он увеличивает пластичность и вязкость сплава,
но снижает твердость и прочность.
Пятая группа — химико-термическая обработка— характерна тем,
что сплавы обрабатывают в средах, которые взаимодействуют с ними
и насыщают их на определенную глубину, изменяя состав и свойства
поверхностного слоя.
Все металлы и сплавы можно подвергать термической обработке
первой, четвертой и частично пятой группы; обработка по остальным
группам применима только к металлам и сплавам, которые имеют
аллотропические и фазовые превращения.
Шире других видов термической обработки применяют отжиг,
нормализацию, закалку и отпуск стали.
§ 2.	Превращение аустенита при охлаждении
Превращение аустеяита.т. е. его распад, может протекать как при
непрерывном охлаждении стали значительно ниже точки ЛГ1 , так и
при выдержке ее в условиях постоянной температуры, лежащей ниже
точки АГ1 (изотермическое превращение аустенита).
Изотермическое превращение аустенита хорошо изучено экспери-
ментально. Существует несколько методов построения диаграмм изо-
термического превращения аустенита. Сущность любого из них за-
ключается в следующем. Для получения устойчивого аустенита образцы
небольших размеров нагревают в печи до температуры выше крити-
ческой точки и затем быстро переносят в печь с заданной темпера-
турой изотермической выдержки (700°, 600°, 500°С), где и выдер-
живают до полного распада аустенита. Степень распада аустенита
определяют магнитным, дилатометрическим, микроскопическим и дру-
гими методами.
Опыты показывают, что изотермическое превращение аустенита
при любой выбранной температуре начинается не сразу, а через не-
которое время, которое называют инкубационным промежутком. На
рис. 46 приведена диаграмма изотермического превращения аустени-
та эвтектоидной стали (0,8% С). По оси абсцисс откладывается время
в логарифмическом масштабе; по оси ординат слева — температура
выдержки аустенита, справа — твердость металла по Роквеллу. При
700°С сталь сначала некоторое время сохраняет аустенитную струк-
туру, затем в точке а„ начинается распад аустенита, заканчивающийся
в точке ак. При 600°С аустенит начинает распадаться в точке Ьн, ко-
нец превращения — в точке bR. При 400° С эти процессы соответ ст-
109
венно развиваются и в точках С„ и Ск. Соединив все точки начала и
конца процесса распада аустенита, можно получить кривые 1 и 2. По
кривой 1 начинается распад аустенита, по кривой 2 он завершается.
Выше пунктирной лилии АГ1 при охлаждении аустенит устойчив.
Область, лежащая левее кривой /, соответствует переохлажденному
аустениту (Л'), область правее кривой 2 соответствует полному распа-
ду аустенита па феррит Ф и цементит Ц; между этими кривыми сущест-
вует область частичного распада
аустенита.
Линия Аг. означает равновесную
температуру превращения аусте-
нита в перлит.
В верхнем интервале темпера-
тур, т. е. ниже равновесной и
Рис. 46. Диаграмма изотермическо-
го превращения аустенита в эвтек-
тоидной стали
Рис. 47. Структуры стали, получаемые
при различных скоростях охлаждения:
а — исходный аустенит; б —сорбит; б — тро-
остит; я — игольчатый мартенсит
до температуры минимальной устойчивости аустенита (для углеродис-
тых сталей «550°С), аустенит распадается па ферритоцемеятитную
смесь, имеющую пластинчатое строение и отличающуюся только сте-
пенью дисперсности частиц ферритоцементитной смеси.
При медленном охлаждении аустенит (рис. 47, а) превращается
в перлит. При средних степенях переохлаждения аустенита (600—
650сС) получают структуру мелкодисперсного перлита, иначе назы-
ваемого сорбитом (рис. 47, б). При быстром охлаждении аустенита
до района температур минимальной устойчивости аустенита (500 —
600°С) получают структуру троостита, представляющую собой вы-
сокодиспсрсную ферритоцементитную смесь (рис. 47, в).
НО
При переохлаждении аустенита (до 550—240°С) он распадается
на ферритоцемептитную смесь, имеющую игольчатое строение —
игольчатый троостит. Причем дисперсность этой ферритоцементит-
ной смеси также зависит от степени переохлаждения аустенита: чем
больше эта степень,тем дисперсией смесь. Таким образом, сорбит и
троостит являются смесью феррита и цементита, но в отличие от пер-
лита имеют переменный химический состав и более дисперсную струк-
туру. Свойства стали зависят от степени дисперсности ферритоцемен-
титной смеси: чем она больше, тем выше прочность (твердость, проч-
ность на разрыв и т. д.) и хуже характеристики пластичности (отно-
сительное удлинение, сужение, ударная вязкость).
С понижением температуры эвтектоидной стали ниже 240°С (Л1н
па рис, 46) диффузионные процессы резко ослабляются и, наконец,
при температурах ниже —50°С (Л4К, рис. 46) практически полностью
прекращаются. Это приводит к тому, что из аустенита перестает вы-
деляться углерод в виде цементита, а весь он сохраняется в твердом
растворе. В то же время кристаллическая решетка перестраивается
из гранецентрированной Fev в объемноцентрированную Fea. Обра-
зовавшаяся новая структура представляет собой пересыщенный
твердый раствор углерода в a-железе и называется мартенситом
(рис. 47,г).
Из всех продуктов распада аустенита (кроме цементита) мартенсит
обладает максимальной твердостью и минимальной пластичностью.
Превращение аустенита в мартенсит в отличие от превращения аусте-
нита в ферритоцемептитную смесь носит бездиффузнойный характер
и протекает только в интервале температур между началом Л/н и
концом Л4К мартенситных превращений и никогда не идет до конца.
В закаленной стали, кроме мартенсита, всегда присутствует неболь-
шое количество остаточного аустенита. Количество остаточного аусте-
нита зависит от содержания углерода в аустените, а также от скорости
охлаждения в температурной области ниже начала мартенситных
превращений.
Структура мартенсита игольчатая. Иглы мартенсита, как правило,
расположены относительно друг друга под утлом 60 или 120° н харак-
теризуют те плоскости, по которым произошли сдвиги в кристалличе-
ской решетке. Скорость образования мартенситных игл огромна.
Кристаллы растут быстро до определенного размера, затем их рост
прекращается. Новые кристаллы растут в других направлениях.
Размер первых игл мартенсита определяется размером исходного
зерна аустенита.
Таким образом, чем больше скорость охлаждения аустенита, тем
больше интервал температур, в котором происходит его распад, и тем
дисперсное получается ферритоцементитная смесь. По диаграмме
изотермического распада аустенита можно установить, каким образом
и с какой скоростью нужно охлаждать данную сталь, чтобы получить
нужное строение, а следовательно, и свойства стали.
Рассмотрим теперь структурные превращения, протекающие в ста-
лях разного состава при их непрерывном охлаждении с различной
скоростью от области высоких (> ЛГ1) до обычных температур. Полу-
111
чаемые структуры во многом сходны с теми, которые фиксируются при
изотермическом охлаждении.
Как уже отмечалось, при медленном охлаждении нагретого метал-
ла ниже 727°С (температура линии PSK) начнется распад аустенита
с образованием механической смеси феррита и цементита, т. е. пер-
лита (рис. 47, а). Увеличение скорости охлаждения стали, соответст-
вующее увеличению степени переохлаждения аустенита, приводит
к образованию структуры мелкодисперсного перлита — сорбита
(рис. 47, б). Если сталь охладить еще быстрее, появляется более тон-
кая структура распада аустенита — троостит (рис. 47, в). Наконец,
можно выбрать настолько большую скорость охлаждения, что распад
аустенита до троостита или сорбита не успеет произойти. Тогда аусте-
нит превратится в новую структуру игольчатой формы — мартенсит
(рис. 47, а).
Стало быть, при непрерывном охлаждении аустенит также распа-
дается, образуя ферритоцементитную смесь той или иной степени
измельчения. Опыт показывает, что чем больше скорость охлаждения
аустенита, тем больше интервал температур, в котором происходит
распад последнего, и тем дисперснее получается ферритоцементитная
смесь. При охлаждении аустенита с очень большой скоростью весь
аустенит переохлаждается и превращается в мартенсит, т. е. про-
исходит закалка стали, которая заключается в фиксации при более
низкой температуре состояния, свойственного более высокой темпера-
туре.
На основании всего этого были разработаны режимы закалки
стали. Минимальная скорость охлаждения, при которой происходит
превращение переохлажденного аустенита в мартенсит, называется
критической скоростью закалки vK. Она зависит от устойчивости пере-
охлаждения аустенита и тем меньше, чем больше эта устойчивость.
§ 3.	Превращения при отпуске закаленной стали
Структура закаленной стали (мартенсит и остаточный аустенит)
неустойчива; при нагревании она будет стремиться перейти в более
устойчивое состояние (ферритоцементитную смесь). Нагрев закален-
ной стали до температур, лежащих ниже точки , с последующим
охлаждением (большей частью на воздухе), при котором происходит
изменение свойств и, иногда, структуры закаленной стали, называют
отпуском стали.
Превращения при отпуске протекают в очень малых объемах (вну-
три мартенситных игл или троостита); обычным микроструктурным
анализом нельзя выявить структурных изменений, происходящих до
температур отпуска порядка 550°С. При обычном рассмотрении под
микроскопом (увеличение 500—600 раз) структуру троостита и сорби-
та отпуска трудно отличить от структуры мартенсита, так как эти
структуры сохраняют мартенситную ориентировку; только при уве-
личении больше чем в 1000 раз отчетливо видно строение сорбита. При
нагреве металла выше 550°С мартенситная ориентировка пропадает
112
§ 4.	Старение стали
Сплавы, претерпевающие фазовые превращения, можно упрочнять
путем закалки с последующим старением.
Старен немназывают переход метастабильной структуры к несколь-
ко более устойчивому состоянию. Этот процесс сопровождается изме-
нением физических и механических свойств сплава. Различают два типа
старения: естественное, протекающее при комнатной температуре,
и искусственное, протекающее при более высокой температуре.
В зависимости от первоначальной структуры различают следую-
щие виды старения.
Старение закаленной на мартенсит стали.
Структура закаленной стали неустойчива; даже при комнатной темпе-
ратуре у закаленной на мартенсит стали можно наблюдать изменение
магнитных свойств и размеров детали с течением времени, что указы-
вает на происходящие структурные изменения в металле.
Для получения устойчивых размеров, магнитных и других физи-
ческих свойств многие детали (например, концевые калибры и посто-
янные магниты) после закалки подвергают искусственному старению
например, кипячению в воде при 100° С в течение 8— 12 ч,т.е. на-
греву, выдержке, и охлаждению, изменяющим структуру и свойства
закаленного сплава.
При старении (дисперсионном твердении) быстро охлажденной
малоуглеродистой стали от температуры 650—700° С получают струк -
туру пересыщенного твердого раствора—феррита. Такой твердый
раствор неустойчив. В результате длительных выдержек при комнат-
ной температуре или более коротких при 150—200° С из феррита выде-
ляются некоторые избыточные упрочняющие фазы (третичный цемен-
тит, оксиды, нитриды и др.), что приводит, как правило, к увеличению
прочности и твердости и снижению пластичности и особенно ударной
вязкости стали.
Старение наклепанной стали. Холодная пласти-
ческая деформация в ряде случаев предопределяет и ускоряет про-
цессы старения. В процессе холодной пластической деформации кри-
сталлическая решетка твердого раствора искажается, в зернах по-
являются плоскости скольжения, увеличивается количество дефектов
кристаллической решетки. Такая деформация ведет к увеличению
твердости, предела прочности и предела текучести и к снижению плас-
тичности и ударной вязкости стали.
Состояние стали после холодной пластической деформации (на-
клепа) является метастабильнььм. Старение наклепанной стали
ведет к снижению пластических свойств и повышению предела
упругости.
Причиной падения ударной вязкости (повышения хрупкости)
при старении является процесс дисперсионного твердения, т. с. вы-
деления в дисперсном виде третичного цементита, нитридов и оксидов
из феррита.
5—545
113
Глава XI
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
В заводской практике различают предварительную термическую
обработку стали с целью подготовки структуры к последующим техно-
логическим операциям (пластическая деформация, резание, оконча-
тельная термическая обработка и т. п.) и конечную термическую
обработку, сообщающую стали нужную структуру и заданные свойст-
ва.
Рассмотрим основные процессы термической обработки.
§ 1.	Отжиг и нормализация стали
Отжиг имеет цель — улучшение структуры и свойств стали, под-
готовку ее структуры к окончательной термической обработке, смягче-
ние стали для облегчения механической или пластической обработки
Рис. 48. Диаграмма температурного
режима для различных видов отжига
и отпуска стали
и другие задачи. Согласно
классификации А. А. Бочва-
ра отжиг бывает первого и
второго рода. Отжиг первого
рода (нагрев ниже температур
фазовых превращений) при-
меняют для снятия наклепа
и внутренних напряжений
после холодной или полуго-
рячей обработки давлением.
При отжиге второго рода
сталь нагревают до темпера-
тур выше фазовых превраще-
ний, выдерживают при этих
температурах (чтобы успели
произойти фазовые превра-
щения) и в последующем
медленно охлаждают (обычно
вместе с печью). В процессе
охлаждения аустенит превра-
щается в ферритоцементит-
ную смесь — перлит, выделяя
избыточные фазы. Скорость
охлаждения углеродистых
сталей 50—100граД/ч, мало-
легированных сталей — 30—
50 град/ч. После отжига доэв-
тектоидные стали получают структуру перлита и феррита; эвтектоид-
ные — перлита, заэвтектоидпые — перлита и цементита (вторичного).
На рис. 48 приведены различные виды отжига и отпуска.
Диффузионный отжиг, или гомогенизация, заключает-
ся в нагреве стали до температур близких, ио не выше линии солидус,
длительной выдержке при этой температуре (10—15 ч) и последующем
медленном охлаждении: до 600° С вместе с печью, затем на воздухе.
114
Этот вид отжига применяют для устранения неоднородности струк-
туры и химического состава (в частности, литой структуры). После
диффузионного отжига получается крупнозернистая, но однородная
структура. Для измельчения зерна после диффузионного отжига про-
изводят однократный или многократный отпуск, а иногда нормали-
зацию (см. ниже).
Полный отжиг заключается в нагреве стали до температуры,
превышающей на 20—50° С критическую точку выдержке при
этой температуре и последующем медленном охлаждении. При обыч-
ном отжиге стальные детали охлаждают медленно со скоростью
50—Ю0° в час до 500° С, а затем на воздухе.
К заэвтектоидпым сталям полный отжиг не применяют, так как
при медленном охлаждении этих сталей от температуры Аст вторич-
ный цементит выделяется по границам зерен в виде сетки, и сталь
приобретает повышенную хрупкость.
Изотермический отжиг состоит из двух ступеней.
Сначала сталь нагревают и выдерживают при температуре на 50—100°
выше верхней критической точки АС1 , затем быстро охлаждают до
температуры, лежащей на 50—100° С ниже точки A,t , и выдерживают
при этой температуре до полного распада аустенита на перлит, а за-
тем охлаждают на воздухе. Изотермический отжиг требует гораздо
меньше времени, чем обычный. После полного отжига снижается твер-
дость, повышается пластичность и вязкость, улучшается обрабатыва-
емость резанием. Структура стали подготовлена к конечной термиче-
ской обработке (если таковая потребуется).
Неполный отжиг. При неполном отжиге сталь нагревают
выше критической точки АС1 , но ниже АСг с последующим медленным
охлаждением. В этом случае происходит только частичная перекрис-
таллизация структурных составляющих стали. В доэвтектоидных
сталях перекристаллизации подвергается только перлит, избыточный
феррит остается без изменения. В эвтектоидной и заэвтектоидных
сталях вторичный цементит частично переходит в аустенит. Неполно-
му отжигу подвергают стали, не требующие исправления структуры,
т. е. измельчения зерен.
При неполном отжиге снимаются внутренние напряжения, снижа-
ется твердость, повышается пластичность и вязкость, улучшается
обрабатываемость резанием.
Сфероидизирующий отжиг применяют для эвтекто-
идной и заэвтектоидной стали, т. е. в основном для инструментальной.
Цель такого отжига — замена в стали пластинчатого цементита зер-
нистым. Процесс заключается в многократном повторении цикла мед-
ленного нагрева и охлаждения стали, имеющей структуру пластин-
чатого перлита, в области температур немного вь1ше и несколько ниже
критической точки Аг, . Невысокая температура нагрева стали поз-
воляет сохранить большое число центров кристаллизации, способст-
вующих образованию в перлите зернистого цементита. Сфероидиза-
цию называют также отжигом на зернистый перлит. Такой отжиг сни-
жает твердость, повышает вязкость, улучшает обрабатываемость ре-
занием.
5’
115
Отжиг на крупное зерно производят для улучшения
обработки резанием феррито-перлитных сталей. Такие стали нагре-
вают значительно выше критической точки АСг и очень медленно
охлаждают в интервале критических температур, т. е. до точки ЛГ] ;
ниже можно охлаждать с любой скоростью.
Светлый отжиг. За последние годы начали применять от-
жиг в печах с защитной атмосферой или с применением вакуума. Сталь-
ные детали после такого отжига имеют светлую и чистую поверхность
(без окалины).
Рекристаллизационный отжиг применяют после
холодной пластической деформации (прокатки, волочения, холодной
штамповки и т. д.) Низкоуглеродистые стали нагревают до температуры
600—700° С. После такого отжига вытянутые в результате деформа-
ции зерна становятся равнооссными, снимается наклеп, понижается
прочность и твердость, увеличивается пластичность и вязкость.
Дефекты отжига. Нагрев металла при отжиге до высоких
температурили излишне длительная выдержка сопровождается полу-
чением крупнозернистой структуры и называется перегревом. Перегрев
стали может быть исправлен вторичным ее отжигом при соответствую-
щем температурном режиме.
Если температура нагрева при отжиге приблизится к температуре
линии солидуса, то может произойти пережог стали, сопровождаю-
щийся окислением металла по границам зерен. Пережог стали испра-
вить нельзя.
Нормализацию стали применяют для устранения внутренних на-
пряжений, уменьшения твердости и получения мелкозернистой одно-
родной структуры. Твердость и прочность стали получаются при этом
несколько выше, чем после отжига.
Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали на
30—50° С выше точки ACs, а эвтектоидной и заэвтектоидной — выше
точки Д1т, непродолжительной выдержке при этой температуре и по-
следующем охлаждении на воздухе. Структура стали после нормали-
зации будет такой же, как и после отжига, некоторые высоколегиро-
ванные стали после нормализации приобретают структуру закалки.
Доэвтектоидные стали после нормализации состоят из феррита и пер-
лита, а у заэвтектоидных устраняется цементитная сетка и образуется
мелкая ферритоиементитная смесь (сорбит).
Для некоторых сталей нормализация является окончательной тер-
мической обработкой, т. е. они получают хорошее сочетание пластич-
ности и прочности.
Нормализация — экономичный вид термической обработки, нашед-
ший широкое применение в заводской практике.
§ 2.	Закалка и отпуск стали
Для повышения механической прочности и твердости и сохранения
достаточной вязкости стали пользуются термической обработкой,
состоящей из двух процессов: закалки и отпуска. Закалка и отпуск —
основной вид окончательной термической обработки, придающий де-
116
% С
Рис. 49. Температурный интервал наг-
рева углеродистых сталей для закалки
талям и конструкциям необходимые эксплуатационные свойства.
Конструкционные стали после закалки и отпуска приобретают по-
вышенную твердость, высокую прочность и вязкость. Инструменталь-
ные стали получают высокую твердость и износоустойчивость при дос-
таточной вязкости.
Закалка заключается в нагреве стали на 30—50° С выше темпе-
ратур фазовых превращений, выдержке при этой температуре и после-
дующем быстром охлажде-
нии. Температура нагрева
зависит от содержания в ста-
ли углерода (рис. 49). Вслед-
ствие высокой скорости ох-
лаждения сталь приобретает
структуры, отличные от рав-
новесны х, соответствующих
диаграмме состояния систе-
мы железо — углерод. Полу-
ченные при быстром охлаж-
дении стали структуры на-
зывают метастабильными.
Они представляют различные
стадии превращения аустени-
та (мартенсит, троостит, сор-
бит).
Доэвтектоидпые стали,
применяющиеся в основном
в качестве конструкционных
материалов в строительстве и
машиностроении, нагревают
под закалку на 30—50° С выше точки 4fl, в результате чего
перлит и избыточный феррит образуют однородный твердый раствор —
аустенит. Последний при охлаждении со скоростью больше критиче-
ской превращается в мелкоигольчатый мартенсит при небольшом ко-
личестве остаточного аустенита. Данный способ называется полной
закалкой-, после правильно проведенного отпуска он приводит к полу-
чению необходимой структуры стали с хорошими механическими свой-
ствами.
Если перед закалкой нагреть доэвтектоидную сталь до температу-
ры, лежащей в интервале критических точек АС1 —Ас, , то произой-
дет лишь частичная перекристаллизация стали; останется некоторое
количество феррита, который в процессе закалки не претерпит изме-
нений и тем самым снизит твердость стали. Такую закалку доэвтекто-
идной стали называют неполной и ее применяют крайне редко;
в общем случае она не позволяет получить максимально возможные
прочностные свойства.
Эвтектоидные и заэвтектоидиые стали нагревают перед закалкой
на 30—50° выше точки ACt , выдерживают при данной температуре
и затем охлаждают со скоростью больше критической. Для этих сталей
применяют неполную закалку. В структуре эвтектоидной стали после
117
такой закалки будут мартенсит и остаточный аустенит, а в зазвтекто-
идной стали — мартенсит, вторичный цементит и остаточный аусте-
нит. Из заэвтектоидных сталей в основном изготовляют инструмент,
от которого требуется высокая твердость и износоустойчивость, и
присутствие вторичного цементита в виде мелких равномерно распо-
ложенных зернышек даже желательно.
Технология закалки стали включает в себя две
операции: нагрев и быстрое охлаждение. Правильное их проведение
обеспечивает получение необходимой структуры, а следовательно,
и физико-механических свойств стали.
Большое значение имеют способ нагрева, время выдержки в печи
и расположение деталей при нагреве.
Стальные изделия для термической обработки, в частности для за-
калки, можно нагревать в пламенных печах (нефтяных, газовых), где
металл непосредственно соприкасается с пламенем; в муфельных печах,
где металлические изделия помещают в камеры, обогреваемые снаружи
пламенем или электрическим током; в ваннах, где металлические из-
делия погружают в расплавленные соли или свинец. Изделия нужно
нагревать постепенно и равномерно, чтобы предотвратить возникнове-
ние в металле внутренних напряжений. Однако слишком медленный
нагрев снижает производительность печей и в ряде случаев сопровож-
дается обезуглероживанием и окислением поверхности стали. Сущест-
венно также правильно размещать нагреваемые детали в пламенных
и электрических печах, чтобы обеспечить равномерный их прогрев.
Режим нагрева определяется по таблицам в зависимости от формы
и размеров поперечного сечения, химического состава изделия и спо-
соба подвода к нему тепла. Чем больше углерода н легирующих эле-
ментов в стали, чем сложнее форма изделий, тем медленнее их нужно
нагревать,
В свинцовых и соляных ваннах металл нагревается быстрее и равно-
мернее; там наблюдается также меньшее окисление и обезуглерожи-
вание металла. В муфельных печах тепло передается изделиям
медленнее, чем в пламенных печах или в ваннах.
Для предохранения металла от окисления и обезуглероживания
в некоторых печах создают защитную газовую атмосферу и после на-
грева получают изделия с чистой и светлой поверхностью. В каче-
стве защитной атмосферы применяют осушенные газообразные про-
дукты неполного горения топлива (СО), очищенный азот или другие
газы. В особых случаях используют для этой цели вакуумные
печи.
Скорость охлаждения стали влияет на се структуру. Для регули-
рования этой скорости при закалке применяют специальные
закалочные среды. Особенно важно, чтобы охлаждающая
среда обеспечивала большую скорость охлаждения стали в пределах
659—500е С, во избежание распада аустенита на смесь феррита и цемен-
тита. С другой стороны, необходимо несколько замедлить охлаждение
стали в области температур 200—300° С. В этой области наблюдается
образование мартенсита, сопровождающееся увеличением объема
металла и появлением больших внутренних напряжений; последние
118
могут привести к деформации закаливаемых изделий и даже образо-
ванию закалочных трещин.
Сильно действующей закалочной средой является вода при 20—
18° С, которая в интервале 650—550° С охлаждает сталь с большей
скоростью (и = 600 град,'с). Основной недостаток холодной воды —
большая скорость охлаждения (о — 270 град/с) в интервале 300—
200° С (в районе образования мартенсита). По мере повышения темпе-
ратуры закаливающая способность воды резко снижается. Разбавлен-
ные водные растворы солей, кислот и щелочей усиливают закаливаю-
щую способность воды.
К менее энергично действующим закаливающим средам относятся
минеральные и реже растительные масла, применяемые при закалке
легированных сталей. С повышением температуры закаливающая
способность масел слабо изменяется. В области наименьшей устойчи-
вости аустенита (650—500° С) масло охлаждает сталь примерно в пять
раз медленнее, а в области мартенситных превращений (300—200° С) —
в 10 раз медленнее, чем вода. Основные недостатки масла—относитель-
но малая скорость охлаждения в области температур наименьшей
устойчивости аустенита, огнеопасность (при нагреве до 300—250° С
масло может загореться), постепенное загустевание, что ведет к сниже-
нию закаливающей способности и пригоранию масла к деталям.
Расплавленные соли калия и натрия, а также жидкий свинец —
наиболее слабые охлаждающие жидкие среды при закалке стали. При
закалке в этих средах в структуре металла появляется троостит и
даже сорбит закалки, уменьшающие твердость металла.
При закалке стали в воде, водных растворах солей и в масле вокруг
охлаждаемого изделия всегда образуется оболочка («рубашка») из
пара, затрудняющая отвод тепла от металла. Чтобы разорвать такую
оболочку, изделия в закалочной ванне непрерывно перемещают; это
увеличивает скорость охлаждения стали.
Все применяемые на практике охлаждающие среды полностью
не удовлетворяют предъявляемые к ним требования. Вследствие этого
параду с обычной закалкой применяют и другие методы закалки.
В зависимости от метода охлаждения различают следующие спо-
собы закалки.
Обычная закалка (в одном охладителе) — применяется
для обработки деталей простых форм. Изделия более сложной формы
закаливают в двух различных жидких средах или прерывистой
закалкой. Детали при этом нагревают, как обычно под закалку,
и охлаждают с необходимой скоростью до температуры, лежащей не
сколько выше начала мартенситного превращения. Затем их быстро
переносят в менее интенсивный охладитель, где и выдерживают до
полного охлаждения. Таким образом, превращение аустенша в мар-
тенсит протекает сравнительно медленно, что способствует уменьшению
внутренних напряжений и деформаций. Такой способ закалива-
ния часто применяют для закалки инструмента из углеродистой
стали.
Ступенчатая закалка производится также в две ста-
дии. Нагретое изделие, как обычно при закалке, быстро переносят в
119
ванну с температурой 270—290°С, где и выдерживают некоторое время.
После такой изотермической выдержки изделие охлаждают в масле или
на воздухе. Время выдержки в ванне должно обеспечить выравнива-
ние температуры по всему сечению детали, но не должно вызывать
распада аустенита. Этот метод применяется при закалке легированных
сталей и для деталей небольших сечений (8—10 мм) из углеродистой
стали. Недостаток этого метода в том, что горячие медленно охлаждаю-
щие среды не позволяют получать необходимые скорости охлаждения
для крупных сечений деталей.
Рис. 50. Схема высокочастотной закалки с машинным генератором для
нагрева стали:
I “ генератор; 2 — электродвша гель; 3 — трансформатор; 4 — индуктор; 5 — реле време-
ни; б — ^лсктропневмагидравличсский клапан, 7 кондепсатарные батареи; 8 — контактор;
9 — возбудитель; 10 — пусковые кнопки
Изотермическую закалку осуществляют так, что
распад аустенита происходит при постоянной температуре в процессе
выдержки в изотермической ванне. Это должно обеспечить полный
распад аустенита на ферритоцементитную смесь (игольчатыйтроостит),
после чего' изделие можно охлаждать с любой скоростью. Изотерми-
ческую закалку применяют для пружин, рессор, болтов, шайб, труб
и других деталей из углеродистой и легированной стали.
Закалка с самоотпуском. При этом способе работы
изделие, нагретое под закалку, погружают в закалочную среду, но
охлаждение ведут не до конца. Отпуск металла (самоотпуск) проис-
ходит за счет тепла внутренних слоев детали. Закалку с самоотпуском
120
широко применяют для зубил, кувалд, слесарных молотков и другого
инструмента, который должен иметь высокую твердость на поверх-
ности и сравнительно вязкую сердцевину.
Поверхностная закалка обеспечивает получение вы-
сокой твердости в поверхностных слоях изделия с сохранением вязкой
сердцевины. Стальные изделия нагревают до необходимой темпера-
туры с поверхности, а затем охлаждают с заданной скоростью в под-
ходящей закалочной среде. Для поверхностного нагрева применяют,
как правило, токи высокой и иногда промышленной частоты, кон-
тактный электронагрев, нагрев газовыми горелками и другие спо-
собы.
Электронагрев металлов токами высокой частоты перед закалкой
(ТВЧ) впервые был применен в 1923—1924 гг. В. П. Вологдиным.
С 1935 г. началось широкое применение этого метода. Сущность его
заключается в следующем: в индуктор (проводник), по которому течет
переменный ток, образующий вокруг проводника переменное электро-
магнитное поле, помещают изделие, которое также проводит ток. Элект-
ромагнитное поле, пронизывая изделие, вызывает в нем индуциро-
ванный ток той же частоты, являющийся источником нагрева изделия.
Этот ток течет по поверхности изделия и разогревает только эту по-
верхность.
Источником тока высокой частоты служат машинные или лампо-
вые генераторы. Ламповые генераторы с оптимальной частотой f =
15 0Э0—60 000 Гц применяют для закалки мелких деталей и инстру-
мента на глубину 1—2 мм. Машинные генераторы с оптимальной
частотой f = 500—700 Гц применяют для закалки крупных деталей
на глубину 3—10 мм.
На рис. 50 показана схема высокочастотной установки для на-
грева стали от машинного генератора.
Для сквозной закалки и для поверхиостиой закалки на глубину
20—50 мм иногда применяют токи промышленной частоты 50 Гц.
Кроме частоты тока на глубину прогрева (а значит, и закаленного
слоя) большое влияние оказывают скорость и температура нагрева.
Чем больше скорость нагрева, тем меньше глубина закалки; чем выше
температура нагрева, тем больше глубина закалки. Скорость нагрева
зависит от мощности генератора (частоты тока) и колеблется в преде-
лах 50—500 град/с. При данной частоте тока скорость нагрева в пер-
вую очередь зависит от магнитной проницаемости металла.Чем больше
эта проницаемость, тем больше скорость нагрева. Температура за-
калки зависит от скорости нагрева и исходной структуры стали (дис-
персности ферритоцементитиой смеси) и может меняться в пределах
десятков градусов. Чем больше скорость нагрева, тем выше темпера-
тура закалки. Чем дисперснее структура, тем ниже температура за-
калки при одной и той же скорости нагрева.
Небольшая выдержка при нагреве ТВЧ позволяет получить после
закалки более мелкое зерно, чем при обычной закалке. Кроме того,
высокочастотный нагрев уменьшает коробление деталей и не дает
окалины. Закалочной средой после высокочастотного нагрева могут
быть вода, масло, растворы солей и т. д. После закалки ТВЧ твердость
121
деталей выше, чем при обычной закалке. Закалка ТВЧ является
самым производительным и дешевым способом термической обработ-
ки при массовом производстве. Установки для закалки ТВЧ полно-
стью автоматизированы. Они могут быть включены в общий поток
станков механосборочного цеха. Недостатком является то, что можно
производить закалку изделий сравнительно простой формы, а также
высокая стоимость установки, сложность наладки режима нагрева
и охлаждения.
Поверхностны й нагрев изделия под закалку можно производить ацс-
тилено-кислородпым, газо-кислородным или газовоздушным пламенем
газовой горелки (так называемая пламенная закалка). Газовая горел-
ка движется вдоль закаливаемого изделия, нагревая поверхность до
температуры закалки; сердцевина изделия за это время не успевает
прогреться. Последующее быстрое охлаждение струей воды ведет к
закаливанию поверхностного слоя изделия. Глубина закаленного
слоя зависит от количества расходуемого газа и его температуры,
скорости движения горелки, расстояния от нее до изделия. Чем боль-
ше скорость движения горелки, тем меньше глубина слоя.
Этот метод очень прост и дешев, не требует дорогих устройств и
применяется для закалки крупных зубчатых колес, шейки валов
трактора, прокатных валков и других деталей. Некоторая опасность
заключается в возможности перегрева поверхности детали; однако
правильный выбор режима нагрева (расход газа, расстояние от го-
релки до изделия, скорость движения и т. д.) позволяет избежать
этой неприятности.
Закалка стали с последующей обработкой
холодом применяется для высокоуглс род истых сталей, у которых
температура конца мартенситного превращения находится в области
отрицательных температур, и в этом случае в сталях после закалки
наряду с мартенситом остается сравнительно большое количество
аустенита, который снижает твердость закаленной стали, ухудшает ее
износостойкость, изменяет размеры детали. Эти недостатки можно устра-
нить, подвергая сталь непосредственно после закалки обработке
холодом. Стальное изделие после закалки охлаждают до отрицательных
температур, в результате чего значительная часть имеющегося в нем
остаточного аустенита переходит в мартенсит. Глубокое охлаждение
стали сразу же после закалки позволяет изменить некоторые ее свой-
ства. При правильно выбранном температурном режиме обработка
холодом значительно повышает твердость и улучшает режущие свой-
ства инструмента из углеродистой и быстрорежущей стали, а также
стабилизирует размеры точного мерительного инструмента (например,
калибров). Обработку стали холодом проиводят также в установках,
создающих отрицательную температуру, чаще всего в пределах от—75
до —195° С.
Все закаленные детали подвергают отпуску. Отпуском называют
термическую обработку, при которой закаленную сталь нагревают
до температуры ниже критической точки , выдерживают при этой
температуре, а затем охлаждают. При отпуске стали мартенсит за-
122
калки и остаточный аустенит распадаются, образуя более устойчивые
структуры. Цель отпуска — уменьшение внутренних напряжений,
снижение твердости и хрупкости, повышение пластичности.
Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск осуществляют в интервале температур
1514-200° С. При нагреве до 100° С заметных изменений в структуре
закаленной стали не происходит. Нагрев от 100 до 200° С приводит
к выделению из мартенсита дисперсных карбидных включений чаще
всего пластинчатой формы толщиной в несколько атомных слоев.
Структура после низкого отпуска — так называемый мартенсит от-
пуска. Низкий отпуск применяют для частичного снятия внутренних
напряжений, повышения вязкости и пластичности без заметного сни-
жения твердости. Этому виду отпуска подвергают главным образом ме-
рительный и режущий инструмент.
Средний отпуск производят путем нагрева закаленной
стали до температуры 300—400° С. Сталь приобретает структуру тро-
остита отпуска, т. е. представляет собой мелкодисперсную смесь фер-
рита и цементита. Снижается твердость и прочность стали, повышается
пластичность. Чаще всего этот вид отпуска применяют при термиче-
ской обработке пружин и рессор.
Высокий отпуск выполняют в интервале температур 500—
600° С. Такой нагрев стали при от пуске сопровождается образованием
структуры сорбита отпуска — ферритоце.ментитной смеси средней
дисперсности, зернистого строения.
При ввюоком отпуске практически полностью снимаются внутрен-
ние напряжения встали. Сорбитная структура дает наилучшее сочета-
ние прочности и пластичности для конструкционных сталей. Высоко-
му отпуску подвергают большинство ответственных деталей машин
и конструкций.
Закалка с высоким отпуском носит название улучшающей обработ-
ки. Улучшению подвергают конструкционные стали, содержащие
0,3—0,5%С. Такие стали называют улучшенными.
§ 3.	Закаливаемость и прокаливаемоеть стали
Закаливаемостью называется способность стали существенно по-
вышать твердость при закалке. Закаливаемость зависит в основном от
содержания углерода и легирующих элементов в стали. Чем больше
углерода, тем выше твердость образующегося при полной закалке
Мартенсита и тем лучше закаливаемость стали.
Прокаливаемостью называется способность стали принимать за-
калку на определенную глубину. Эта способность зависит от критиче-
ской скорости охлаждения при закалке окр. Чем меньше эта скорость,
тем лучше прокаливаемость стали. Глубина прокаливаемости опре-
деляется расстоянием от поверхности детали до слоя, имеющего в струк-
туре 50% мартенсита и 50% троостита; ее можно определить, измеряя
твердость по сечению образца. Кроме критической скорости закалки
на прокаливаемость деталей влияют ее размеры, а также интенсив-
123
11ость охлаждения. Прокаливаемость стали весьма важный фактор,
во многом определяющий возможность ее применения.
Несквозная прокаливаемость возникает вследствие того, что внут-
ренние слои охлаждаются с недостаточной скоростью, поэтому в серд-
цевине аустенит распадается на ферритоцементитную смесь. Для. по-
лучения оптимального сочетания механических свойств в больших
сечениях деталей необходимо подбирать стали, которые обеспечивали
бы сквозную прокаливаемость. Кроме того, стали с высокой прокали-
ваемостью можно закаливать в масле, что способствует уменьшению
внутренних напряжений при закалке.
Количественной характеристикой прокаливаемое™ является кри-
тический диаметр — тот наибольший диаметр образца, при котором
сталь в данном охладителе получает сквозную закалку. С увеличе-
нием скорости охлаждения прокаливаемость улучшается. Действи-
тельный или реальный критический диаметр зависит от закаливающей
среды. Чем интенсивнее охлаждающая среда, тем больше будет дейст-
вительный критический диаметр. Однако есть немало случаев созна-
тельного получения неполной прокаливаемости (например, когда
нужна поверхностная прочность при вязкой сердцевине).
В технике прокаливаемость — один из важнейших факторов, опре-
деляющих выбор стали для различных целей. Легированные стали про-
каливаются глубже углеродистых и это одна из причин их частого
применения для ответственных конструкций.
§ 4.	Дефекты, возникающие при закалке стали
Неправильно проведенная закалка вызывает ряд дефектов в метал-
ле. К ним прежде всего относятся недостаточная твердость, мягкие
пятна, повышенная хрупкость, деформация, коробление и трещины.
Недостаточная твердость может быть следствием заниженной
температуры нагрева металла перед закалкой для доэвтектоидньтх
марок стали; недостаточной выдержки металла при температуре за-
калки; малой скорости охлаждения при закалке; перегрева металла
перед закалкой для заэвтектоидных марок стали.
Для исправления этих дефектов необходимо подвергнуть сталь
нормализации или отжигу с последующей повторной закалкой при
соблюдении установленного режима нагрева и охлаждения.
Мягкие пятнав металле, т. е. незакалеиные участки с по-
ниженной твердостью, возникают из-за неоднородной исходной струк-
туры или обезуглероживания поверхности. При наличии, например,
в исходной структуре скоплений феррита он не успевает перейти в
раствор и сохраняется после закалки. Образование на поверхности
изделий обезуглероженных участков,естественно, отражается на твер-
дости металла после закалки. Неоднородность структуры стали перед
закалкой исправляют отжигом или нормализацией. Применение более
резких охладителей позволяет иногда предупредить^ образование мяг-
ких пятен при закалке.
Повышенная хрупкость стали появляется при ее закалке от излишне
высоких температур. Дефект обнаруживается при рассмотрении микро-
124
структуры или излома стали, а также проявляется при механических
испытаниях. Для устранения повышенной хрупкости производят пов-
торную закалку стали по нормальному режиму нагрева.
Деформация, коробление и трещины в изделиях являются следст-
вием объемных изменений и внутренних напряжений в металле при
закалке.
Деформация изделий происходит в результате мартенситного пре-
вращения стали после закалки. Коробление (поводка) изделий полу-
чается при их неравномерном нагреве или охлаждении. Оба эти де-
фекта могут быть предотвращены или значительно уменьшены равно-
мерным нагревом и охлаждением изделий, применением специальных
способов закалки и, наконец, правкой и шлифованием изделий после
закалки.
Образование трещин можно предупредить, если правильно конст-
руировать деталь, устранив в ней неравномерные переходы от толстых
сечений к тонким и подвергнуть ее отжигу перед механической обра-
боткой для снятия внутренних напряжений. Прерывистая и ступен-
чатая закалка также способствуют предотвращению закалочных тре-
щин в металле.
§ Б. Термомеханическая обработка стали
Среди различных упрочняющих способов обработок, предназна-
ченных для повышения механических свойств применяемой в промыш-
ленности стали, большое развитие за последние годы получил метод
термомехаиической обработки (ТМО). Такая обработка проводится в
две стадии;
1) горячая, или теплая, деформация в области существования
высокотемпературной фазы — аустенита;
Рис. 51. Принципиальная схема упрочнения сталей методами тер-
момеханической обработки:
a — BTMO; б—НТМО
125
2) последующее регламентированное охлаждение, в процессе кото-
рого деформированный аустенит претерпевает полиморфное превра-
щение. Чаще всего применяют закалку на мартенсит.
В результате первой стадии ТМО в материале создается меЛко-
фрагментированная структура с повышенной плотностью дислокаций
и последующие фазовые превращения происходят уже в пределах соз-
данной субструктуры с сохранением высокой плотности несовершенств
и с последующим получением мелкодисперсной конечной структуры
материала в новом фазовом состоянии. В частности, стали, закаливаю-
щиеся на мартенсит, при ТМО подвергаются деформированию в состо-
янии равновесного или переохлажденного аустенита, с последующей
закалкой и низкотемпературным отпуском.
Наиболее распространено подразделение ТМО по температурному
интервалу деформации аустенита: при температуре выше порога ре-
кристаллизации — высокотемпературная термомеханическая обра-
ботка (ВТМО) и при температуре ниже порога рекристаллизации —
низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО).
Деформация стали при ВТМО осуществляется при температуре,
соответствующей области устойчивого аустенита (выше критической
точки Л3), а деформация при НТМО — в температурной области мета-
стабильного аустенита (ниже критической точки Alt но выше точки
мартенситного превращения Л1Н). За рубежом метод НТМО получил
название «аусформинг».
Принципиальная схема упрочнения сталей методом ТМО представ-
лена на рис. 51.
Высокотемпературная термомехапичсская обработка стали про-
водится по технологической схеме 1.
Схема 1
Низко гемпературный отпуск
126
I Ввиду большой фрагментированности аустенитных зерен после
деформирования и закалки мартенситная структура стали получает-
ся' . мелкодисперсной.
Наиболее ценным результатом применения ВТМО является значи-
тельное улучшение всего комплекса механических свойств. Уникаль-
ная' особенность этой обработки — одновременный рост прочности
и пластичности.
Исследование стали, обработанной методом ВТМО, показало, что
в результате этой обработки статическая прочность (ов, от) повыша-
ется на 40% и более, при одновременном сохранении или даже повы-
шении уровня пластичности (6, ф), резко повышается ударная вяз-
кость (ан) при комнатной и низких температурах (в отдельных случаях
в два-три раза), сильно понижается температура перехода к хрупкому
разрушению, в том числе и после отпуска в интервале развития хруп-
кости, улучшаются усталостные характеристики стали (предел вы-
носливости возрастает на 40—70%), уменьшается чувствитель-
ность легированной стали к образованию трещин. Излом стали стано-
вится вязким, волокнистым.
Высокотемпературной термомеханической обработке можно под-
вергать практически все стали, испытывающие полиморфное пре-
вращение у —важной особенностью ВТМО является эффективное
ее применение для упрочнения обычной углеродистой стали.
Обработка стали методом ВМТО имеет перед НМТО то преиму-
щество, что пластическая деформация здесь протекает при высоких
температурах, когда аустенит можно интенсивно обжимать при мень-
ших удельных давлениях.
Высокая стабильность аустенита в этой области температур поз-
воляет осуществлять деформацию различными методами: прокаткой,
ковкой и штамповкой. ВТМО можно использовать для широкого кру-
га сталей и изделий.
Наконец, положительная особенность ВТМО состоит в том, что
для достижения оптимального уровня прочности не требуется чрез-
мерно высоких степеней обжатия при деформировании аустенита (как
при НТМО) и, следовательно, мощного специального оборудования
для обработки давлением. Максимальное повышение прочности на-
блюдается уже после 25—35% предварительного обжатия.
Однако повысить предел прочности ов стали до значений выше
3900 МН/мв за счет ВТМО пока нс удается. По-видимому, это объяс-
няется тем, Ч1О при деформировании стали в условиях столь высоких
температур (выше ЛСз) невозможно добиться высокой плотности дис-
локаций, часть которых исчезает (анигилируст) уже в процессе самой
горячей деформации.
Как отмечалось выше, важным преимуществом ВТМО перед дру-
гими схемами термомеханического упрочнения является применимость
ее к весьма широкому кругу стальных материалов. В этой связи
заслуживает большого внимания применение ВТМО для повышения
механических свойств как углеродистой, так и низколегированной
стали. Это — важная практическая задача, так как эти стали широко
применяют в строительстве и промышленности.
127
В Московском институте стали и сплавов (МИСИС) совместно с pj)-
дом заводов изучали влияние ВТМО на свойства стали 40 (для штанго-
вого проката нефтяных глубинных насосов) и высокоуглеродистой ста-
ли У9 для режущих частей сельскохозяйственных машин.
По сравнению со стандартной термической обработкой В^МО
приводит к существенному повышению пластичности и прочности
этих сталей. В частности, предел прочности (оЕ) возрос на 400—
500 МН/м2 (МПа). Так, например, у штанг из стали 40 после ВТМО
и отпуска при 150° С в течение часа получили <тв — 2500 МН/м2
(МПа).
При увеличении длительности низкотемпературного отпуска по-
вышается эффект ВТМО и увеличивается прочность. После отпуска
при 200° С в течение 4 ч предел прочности достиг 2900 МН/м2 (МПа).
На волгоградском заводе «Красный Октябрь» была создана спе-
циальная полупромышленная установка для проведения ВТМО штан-
гового проката. Прочность штанг из стали 40 после ВТМО оказалась
в 2,5—3 раза выше (при равной пластичности), чем после применяв-
шейся в производстве штанг термической обработки.
ВТМО углеродистой стали (при различном способе деформации —
прокаткой, кручением, ударным воздействием) позволяет повышать
не только статическую, но и циклическую прочность, что весьма
важно для строительных сталей.
В МИСИС исследовалось влияние ВТМО на статическую и цикли-
ческую прочность рессорной стали 55ХГР (0,55% С, ~1% Сг,
Мп, до 0,004% В). После ВТМО предел прочности (о„) увеличился с
2000 до 2300 МН/м2 (МПа) (по сравнению с оптимальным режимом
обычной термической обработки), а пластичность тоже возросла (б —
16%; при обычной термической обработке разрушение хрупкое). Пре-
дел усталости о_, повысился с 520 до 570—630 МН/м2 (МПа).
В работах проф. М. Л. Бернштейна (МИСИС) показано, что при-
менение ВТМО существенно улучшает эксплуатационные свойства
широко используемых рессорных сталей — 50С2, 56ХГА, 55ХГР, а
также повышает статическую и усталостную прочность не только но-
вых рессор, но и бывших в эксплуатации.
Низкотемпературная термомеханическая обработка стали прово-
дится по технологической схеме 2.
Как видим, этот метод предусматривает интенсивное деформиро-
вание стали в области относительной устойчивости аустенита при тем-
пературе выше мартенситной точки (Ми), но ниже температуры ре-
кристаллизации (Ти р,.кр), с последующим фазовым превращением
(у-> а). Таким образом, существенным отличием НТМО от ВТМО яв-
ляется задержка охлаждения аустенизированной стали в надмартен-
ситной области температур и последующее деформирование мета-
стабильного аустенита.
При таком способе обработки удается резко увеличить прочность
стали и сохранить удовлетворительные пластические свойства.
Однако метод I1TMO пригоден лишь для сталей с широкой областью
устойчивости аустенита, которой, как известно, обладают лишь сред-
не- н высоколегированные стали.
128
Схема 2
I
Закалка в воде или масле

Низкотемпературный о i пуск
Для достижения высокой прочности при НТМО сталь в надмартен-
ситной области температур следует деформировать до значительно
более высоких степеней обжатия (л — 75--95%), чем при обработке
методом ВТМО. Это объясняется тем, что в надмартенситной области
температур перестройка дислокаций существенно менее развита, чем
при нагреве выше точки Лг, . Поэтому для прохождения процессов,
приводящих к равномерному распределению дислокаций в объеме
стали, требуются более высокие степени обжатия.
Высокие механические характеристики при НТМО получаются,
как правило, лишь при отпуске стали при температурах не выше 200—
300° С. (Кроме стали, испытывающей вторичное твердение.)
Применение НТМО позволяет во многих случаях повысить проч-
ность ерли до oD = 2600 МН/м2 (МПа) и выше при сохранении удов-
летворительных пластических свойств.
Особенно эффективно воздействие НТМО при обработке стали,
полученной вакуумной плавкой из чистых шихтовых материалов. Это
воздействие связывают с увеличением пластичности аустенита такой
стали.
Метод НТМО, как и ВТМО, приводит к резкому увеличению цик-
лической прочности стали. После НТМО циклическая прочность на
20—30% выше, чем после обычной закалки и отпуска.
12»
Данный способ упрочнения в связи с затруднениями при формо-
изменении позволяет применять такие процессы пластической обра
ботки стали, как прокат и волочение. Здесь нет опасности разуйроч-
нення аустенита, так как деформирование при НТМО осуществляется
при температуре ниже температуры рекристаллизации.	/
Предел упругости ае стали, обработанной методом НТМО, доста-
точно высок, что в сочетании с высокой циклической прочностью де-
лает такие стали пригодными для изготовления высокопрочных пру-
жин, рессор, торсионных стержней, подвесок и других подобных эле-
ментов. Кроме того, упрочнение материалов с помощью НТМО (как
и ВТМО) приводит к значительному повышению режущей стойкости
и вязкости инструментальных сталей.
Деформация металла при НТМО затруднена; для се осуществления
требуется очень мощное оборудование и прочная оснастка. Это опре-
деляет более узкую применимость этой обработки по сравнению с
ВТМО.
Посредством НТМО в Институте металлургии АН СССР им. Бай-
кова повысили режущую стойкость быстрорежущих сталей Р18 и Р9.
Прочность стали Р18 повысилась на 20%, пластичность — на 15%.
Красностойкость (сохранение высокой твердости до температуры
700—800° С) стали Р18 после НТМО существенно возрастает.
Широко применяют НТМО к инструментальной стали, добиваясь
высокой прочности, твердости и большого сопротивления истиранию.
С использованием НТМОбыли изготовлены штампы для высадки, про-
шивки и горячей резки, превосходившие по своим характеристикам
штампы, изготовленные по обычным режимам.
* * *
Степень пластической деформации (обжатие) при термомеханиче-
екой обработке оказывает решающее влияние на механические свой-
ства. В большинстве случаев прочностные характеристики стали, обра-
ботанной с помощью ТМО, монотонно возрастают с ростом обжатия
заготовок; одновременно (в случае ВТМО) увеличивается пластич-
ность стали, но до какого-то оптимального значения обжатия. Высоко-
температурной термомеханической обработке свойственно сохранение
наследственного упрочняющего влияния наклепа даже после пере-
кристаллизации стали (в частности, после ряда термообработок).
Совмещение процессов ВТМО и НТМО на одном
и том же объекте значительно повышает ударную вязкость (аи)в зоне
развития обратимой хрупкости и одновременно увеличивает твердость
.стали.
В табл. 2 приведены значения ударной вязкости в кге • м/см2 для
стали 37XH3A, в случае НТМО и совмещенной термомеханической
.обработки (с НТМО).
Таким образом, совмещенной термомехапической обработкой
(ВТМО) можно повысить ударную вязкость стали (по сравнению с
НТМО) более чем в три раза.
ДЗО
Таблица 2
Значения «н для стали 37XH3A
\	Вид обработки
_---------------
, нтмо	нтмо  вт.мо
Режим отпуска
3,0
2,2
650 С,
55СГС,
Рассмотрим некоторые ограничения, связанные
с использованием Т М О для упрочнения кон-
струкционной стали,
1.	Для осуществления НТМО необходимо мощное оборудование
для обработки давлением, чтобы получить высокие степени обжатия
заготовок (до X = 90—95%).
2,	Упрочняемая сталь (в случае НТМО) должна иметь широкую
область устойчивости метастабильного аустенита. Не все стали мож-
но подвергать НТМО,
3.	Существенным недостатком ВТМО являются определенные тех-
нологические трудности, связанные с необходимостью во многих слу-
чаях подавлять процесс рекристаллизации. Для этого необходимо
быстро проводить обжатие заготовок при соответствующей темпера-
туре (выше ЛСа).
4,	Общий недостаток ТМО как таковой — необходимость изго-
товления заготовок (деталей) почти в окончательных
формах и размерах. Резкое увеличение прочности и твердости
стали, обработанной ТАЮ, сильно усложняет их последующую меха-
ническую обработку.
Высокотемпературная термомеханическая поверхностная обработ-
ка (ВТМПО) — новая схема термомсханичсской обработки, предусмат-
ривающая нагрев поверхностного слоя стального изделия на нужную
глубину, обкатку его роликами, а затем немедленную закалку. Необ-
ходимые структура и свойства сердцевины достигаются в результате
предварительной термической обработки.
Наибольший эффект этот метод должен давать в случае изделий,
работающих на усталостную прочность или контактную выносливость,
когда ТМО используется для упрочнения наиболее напряженного
поверхностного слоя, в котором начинается развитие разрушения.
Ряд ученых провели методом ВТМПО обработку цилиндрических
образцов (диаметром 35—40 мм) из стали марок 40, 40Х и 9Х с по-
мощью специального приспособления.
Эксперименты и испытания проводили на Старо-Краматорском
машиностроительном заводе. Все свойства после ВТМПО сравнивали
со свойствами, получаемыми при применении оптимального промыш-
ленного режима высокочастотной закалки, установленного для кон-
кретной серийно выпускаемой продукции.
131
В результате ВТМПО контактная усталостная прочность стали
9Х повысилась на 300—400 МН/м3 (МПа) по сравнению с получаемой
после высокочастотной закалки.
С увеличением усилия обкатки до определенного значения (РсГ|И =
650 И) возрастает и выносливость, определяемая как среднее, число
циклов N до появления первых очагов разрушения на поверхности.
Электронно-микроскопическим исследованием упрочненных зон
установлено, что после ВТМПО увеличивается дисперсность структу-
ры поверхностных слоев. Измельчение мартенситных пластин может
быть одной из причин повышения усталостных характеристик.
Доказано, что в случае ВТМПО (как и в случае ВТМО) не существу-
ет корреляции между твердостью и сопротивлением деформированию
и разрушению в условиях сложного нагружения. Очевидно, высокое
сопротивление контактному выкрашиванию после ВТМПО обуслов-
лено изменениями в тонком строении, возникшими в результате сов-
местного влияния деформирования и фазового превращения.
Твердость, будучи сравнительно грубым методом оценки, не отража-
ет изменений в тонком строении поверхностных слоев и поэтому не
может служить основным критерием свойств и эксплуатационных
характеристик контактирующих поверхностей в высокопрочном со-
стоянии.
Основное преимущество ВТМПО перед другими способами поверх-
ностного упрочнения (высокочастотная закалка, химико-термиче-
ская обработка с последующей закалкой) состоит в создании струк-
туры, отличающейся повышенной пластичностью.
Исследованиями установлено, что после ВТМПО на поверхности
детали в упрочненном слое возникают благоприятные сжимающие на-
пряжения. Так, например, после оптимального (по свойствам) режима
ВТМПО для стали 40X (/деф = 950°С, РоСж = 55 кге/мм2) остаточ-
ные сжимающие напряжения на поверхности увеличились с 30 до
50 кге/м.м®.
Была проведена ВТМПО полупромышленных партий рабочих вал-
ков из стали 9Х диаметром 38 мм на промышленной установке. Эксплу-
атационная стойкость валков повысилась более чем в 2 раза по срав-
нению с закалкой ТВЧ.
ВТМПО была также использована для повышения износостойкос-
сти стали 40Х. Среднее повышение износостойкости (по сравнению
с закалкой ТВЧ) составляло 90—120%.
Глава XII
ХИМИНО-ТЕРМИЧЕСНАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
Химике-термической обработкой стали называют термическую об-
работку, связанную с изменением химического состава, структуры
и свойств поверхностного слоя стальных изделий. Цель ее—упрочне-
ние поверхностных слоев стали (повышение твердости, усталостной
132
прочности, износоустойчивости и т. п.). изменение физико-химиче-
ских, и других свойств (коррозионных, фрикционных и Т. Д-).
Различают следующие виды химико-термической обработки стали:
цементация (насыщение углеродом), азотирование (насыщение азотом)
цианирование (параллельное обогащение стали азотом и углеродом);
диффузионная металлизация; алитирование, хромирование, силици-
рование, борирование и др.
§ 1.	Цементация стали
Цементацией называют процесс поверхностного науглероживания
изделий из низкоуглеродистой, а иногда и легированной стали в угле-
родосодержащей среде (карбюризаторе) для получения твердой повер-
хности и вязкой сердцевины.
При цементации сталь науглероживается на глубину 0,5—2 мм
до содержания углерода в поверхностном слое 0,75—1,2 %. Цементацию
можно проводить в твердых, жидких или газообразных карбюри-
заторах.
Цементация в твердом карбюризаторе. Из-
вестно много составов карбюризаторов. Один из них представляет
порошкообразную смесь, состоящую из древесного угля (около 70%
по массе), углекислого бария (около 20—25% по массе) и углекислого
кальция (до 2,5—3,5% по массе). Этой смесью пересыпают обрабаты-
ваемые детали, уложенные в металлические ящики. Эффективность
цементации в значительной степени зависит от правильной укладки
и засыпки смесью обрабатываемых деталей, а также от хорошей гер-
метизации ящика до установки его впечь. Обычно на дно ящика насы-
пают слой карбюризатора толщиной 25—30 мм, па который уклады-
вают первый ряд деталей. Эти детали засыпают новым слоем карбюри-
затора толщиной 15—20 мм и утрамбовывают его, а заюм укладывают
второй ряд деталей и т. д. Между деталями и стенками ящика остав-
ляют расстояние 15—25 мм. Верхний слой карбюризатора имеет тол-
щину 30—40 мм. Ящик закрывают сверху металлической крышкой.
Кромки между крышками и стенками ящика обмазывают огнеупор-
ной глиной, которая препятствует проникновению возд\ха и печных
газов внутрь ящика.
Подготовленные ящики загружают в горячую печь периодического
или непрерывного действия и нагревают примерно до 900—950°С.
Продолжительность этого нагревания определяется массой загружен-
ных деталей; продолжительность цементации зависит от требуемой
глубины слоя: как правило, за 1 ч углерод проникает на глубину
примерно 0,1 мм.
Цементация стали в твердом карбюризаторе является сложным
процессом и фактически происходит при участии газообразной фазы,
которая формируется в ящике под действием высоких температур.
В ящике остается воздух, абсорбированный древесным углем и запол-
няющий пространство между зернами карбюризатора. При 900—
133
950°С кислород воздуха и углерод карбюризатора реагируют, образуя
окись углерода
СО, 4- С ** 2СО	(45}
В присутствии железа окись углерода может частично диссоцииро-
вать с образованием атомарного углерода по реакции
2СО СО, + Сйт,
Последний в момент выделения обладает большой активностью
и легко диффундирует в ^-железо, насыщая его углеродом вплоть
до образования в поверхностных слоях максимальной растворимости
углерода в стали.
Рис. 52. Глубина и микроструктура цементи-
рованного слоя стали по зонам
Углекислые соли, добавляемые к древесному углю, активизируют
процесс науглероживания железа, регулируя давление и состав га-
зовой фазы внутри ящика. Например, углекислый барий при высоких
температурах разлагается по реакции
ВаСО3 = ВаО + СО,	(46)
и является источником углекислого газа. Последний в свою очередь
вступает во взаимодействие с древесным углем [см. реакцию (45)],
увеличивая количество окиси углерода в ящике.
Глубина цементированного слоя и распределение углерода по се-
чению детали определяется по микроструктуре (рис. 52).
При газовой цементации над обрабатываемыми издели-
ями пропускают газы, которые при нагревании до высоких температур
выделяют атомарный углерод. К газообразным карбюризаторам от-
носят природный газ, светильный газ и смеси метана, этила, пропана и
иных газов, получаемых при пиролизе керосина и других жидких
нефтепр одуктов.
Изделия, подлежащие цементации, укладывают в герметически
закрытые ящики или муфели печей с температурой нагрева до 900—
950°С. Газ-карбюризатор пропускают в течение нескольких часов:
при этом получают нау глероженный слой необходимой толщины.
Газовая цементация, по сравнению с цементацией в твердых карбю-
ризаторах, обеспечивает повышение скорости процесса, а следова-
134
дельно, производительности труда, более точное регулирование про-
цесса насыщения стали углеродом, упрощение механизации и автома-
тизации процесса, улучшение санитарно-гигиенических условий труда.
После газовой цементации сразу возможно производить закалку.
При скоростной газовой цементации изделия нагревают токами
высокой частоты до 1080—1100°С. В результате за 40—50 мин мож-
но получить иауглероженный слой толщиной 0,8—1 мм. После ох-
лаждения до 870°С изделия сразу подвергают закалке.
Цементация стали в жидких средах. Эта це-
ментация осуществляется весьма редко, обычно в расплавленных со-
лях. Чаще всего применяют следующий состав солей; 83—84% каль-
цинированной соды, 8—40% поваренной соли, 7—8% черного корун-
да. В ванну такого состава погружают стальные детали и получают
слой толщиной до 0,2 мм за 30—40 мин. Для получения слоя большей
толщины часто применяют карбюризатор из четырех компонентов:
78—81 % кальцинированной соды, 5—6% поваренной соли, 7—8%
хлористого алюминия и 6—8% черного корунда.
Цементацию в жидких средах применяют для малоуглеродистой,
среднеуглеродистой и малолегированной стали. Цементация проте-
кает при 870—890°С для малоуглеродистых сталей, 820—840DC для
среднеуглеродистых и 850—870°С для малоуглеродистых легирован-
ных сталей. Время выдержки зависит от заданной глубины слоя;
ориентировочно 25—45 мин.
Цементация в жидких средах имеет ряд преимуществ по сравне-
нию с цементацией в твердом карбюризаторе: более высокая скорость
процесса, лучшая точность регулировки, возможность термообработ-
ки сразу после цементации; весь процесс в три-четыре раза эконо-
мичнее.
После цементации детали часто получают неудовлетворительную
структуру; для ее улучшения можно применять один из трех следую-
щих режимов термической обработки:
1.	После цементации изделия охлаждают до 750°С, затем закали-
вают в воде или масле в зависимости от марки стали и отпускают при
150—20СГС (рис. 53, а). После такой обработки на поверхности полу-
чают структуру крупноигольчатого мартенсита с сравнительно боль-
шим количеством остаточного аустенита; в сердцевине — крупно-
зернистую структуру феррита и перлита. Обработка холодом позво-
ляет уменьшить содержание остаточного аустенита.
2.	После цементации изделие медленно охлаждают до комнатной
температуры, затем вновь нагревают до 850°С, закаливают и отпускают
(рис. 53, б).
В этом случае благодаря перекристаллизации при нагреве зерно
измельчается, улучшаются структура и механические свойства из-
делия.
3.	Вследствие того что цементированное изделие имеет различное
содержание углерода и соответственно разную структуру по сечению,
применяют тройную термическую обработку—двойную закалку и
низкий отпуск (рис. 53, в). Цель первой закалки —измельчение струк-
туры в сердцевине и уничтожение цементигной сетки; ее ведут при
135
температуре выше критической точки АСз (для стали, содержащей
0,2% С, при 920° С). В поверхностном слое, при содержании углерода
до 0,8%,сталь при такой температуре перегревается; чтобы устранить
перегрев и придать высокую твердость поверхностному слою
металла производят вторую закалку от температуры 750—780°С.
Рис. 53. Схемы термической обработки после цементации
После такой закалки в поверхностном слое получают мелкоигольчатый
мартенсит и зернистый цементит, а в сердцевине мелкозернистый
феррит. Для снятия внутренних напряжений затем производят низ-
кий отпуск (150—200° С).
§ 2.	Азотирование стали
Азотированием, или нитрированием, называют процесс поверхност-
ного насыщения стали или чугуна азотом. Этот процесс осуществля-
ется в атмосфере газообразного аммиака NH3 при 430—600°С для
повышения твердости, износоустойчивости и предела прочности и
при 600—800°С только для повышения коррозионной стойкости.
Азотирование требует значительного времени (например, для полу-
чения азотированного слоя в 0,5 мм требуется около 60 ч). В указан-
ном интервале температур аммиак почти полностью диссоциирует по
реакции
2NH3 = 2N -р ЗН2	(47)
Выделяющийся при этом атомарный азот диффундирует в сталь.
После азотирования изделия обычно охлаждают до 200°С в потоке
аммиака, а затем на воздухе.
Азотирование стали значительно повышает ее поверхностную
твердость, которая сохраняется даже при нагревании до 600—650° С,
увеличивает износоустойчивость и предел усталости стали, а также
повышает сопротивление коррозии на воздухе, в воде и водяном паре.
136
Азотированию подвергают изделия из среднеуглеродистой и легиро-
ванной стали, способной образовать с азотом прочные нитриды. Этому
способствуют такие элементы, как Al, Cr, Mo, Ti.
Детали до азотирования подвергают термической и окончательной
механической обработке (включая шлифовку). После азотирования
проводят только окончательное шлифование или доводку в пределах
нескольких сотых мм. Поверхностная твердость азотированного слоя
в 1,5—2 раза выше цементированного и достигает примерно 1000—
1200 кге/мм2 по Виккерсу (1—1,2-1010Па).
§ 3.	Цианирование стали
Цианированием называют процесс, при котором поверхность
стального изделия насыщается одновременно углеродом и азотом.
Применяют твердое, жидкое и газовое цианирование. Более широко
распространено жидкое цианирование. Толщина цианированпого слоя
обычно равна 0,1—0,2 мм. В результате та кой обработки повышаются
поверхностная твердость и износоустойчивость. Особенно эффективно
цианирование мелких и средних деталей — шестерен, поршней, паль-
цев, валиков и т. п.
Цианирование в твердой среде, состоящей из
60—80% древесного угля и 40—20% желтой кровяной соли K4Fe(CN)6,
проводят в течение 1,5—3 ч при 540—560°С. Этот способ цианирования
применяют в основном для повышения режущих свойств инструмента.
Цианирование в жидкой среде производят в ван-
не из расплавленных нейтральных (Na.2CO3; NaCl и др.), цианистых
(NaCN, CafCN)^) и других солей.
Различают три вида цианирования: низко-, средне-и высокотемпе-
ратурное.
При низкотемпературном цианировании (550—600°С) ванна со-
держит 25—40% NaCN, 20—45% Na2CO3 и 10—20% NaCl. Продол-
жительность процесса 5—30 мин, а толщина циаьированного слоя
0,02—0,04 мм. Это цианирование применяют главным образом для
обработки инструмента из быстрорежущей стали.
При среднетемпературном цианировании (800—850° С) ванна со-
держит до 20—35% NaCN. Продолжительность этого процесса циа-
нирования от 5 мин до 1,5 ч, а толщина цианированпого слоя поряд-
ка 0,075—0,25 мм. Такое цианирование применяют для обработки
различных деталей из среднеуглеродистой стали: болтов, гаек, шесте-
рен и др. После цианирования изделия подвергают закалке и отпуску
так же, как и после цементации.
При высокотемпературном цианировании (900—950° С) ванна со-
держит 6—10% NaCN, 80—84% ВаС12 и до 10% NaCl. Эту операцию
применяют, если необходима более значительная глубина цианиро-
вания. Продолжительность цианирования в этом случае 1—6 ч, а тол-
щина цианированного слоя достигает 0,5—1,5 мм. Изделия после
цианирования подвергают закалке и низкотемпературному отпуску
(160—180° С).
137
Работа с цианистыми ваннами любого состава требует строгого
соблюдения правил техники безопасности, так как цианистые соли
очень ядовиты.
Газовое цианирование — обработка стальных изде-
лий смесью, состоящей из науглероживающего и азотирующего газов
(например, 70—80% природного газа и 30—20% аммиака).
Процесс цианирования осуществляется при 850—900° С.
§ 4.	Диффузионная металлизация
Процесс поверхностного насыщения стали алюминием, хромом,
кремнием, бором, бериллием и другими элементами называют диффу-
зионной металлизацией. Его осуществляют путем нагрева и выдерж-
ки стальных изделий в контакте с одним или несколькими из указан-
ных элементов, которые могут находиться в твердом, жидком и газо-
образном состояниях.
Такая обработка изделия придаст поверхностным слоям стали жаро-
стойкость, износоустойчивость, сопротивление коррозии.
Алитирование — поверхностное насыщение стали алюмини-
ем для повышения жаростойкости (до 850—900° С). При нагреве али-
тированной стали на ее поверхности образуется плотная пленка окиси
алюминия А1гО3, которая в дальнейшем предохраняет основной металл
от окисления.
При твердом алитировании применяют порошок алюминия или
ферроалюминия с добавкой 0,5—2% хлористого аммония. Процесс
проводят при 950—1000° С в течение 3—5 ч (толщина слоя 0,2—0,3 мм)
или 12—15 ч (толщина слоя 0,4—0,5 мм).
При жидком алитировании изделие погружают в ванну с расплав-
ленным алюминием, нагретым до 750—800°С. Процесс продолжается
45—90 мин, толщина алитированного слоя достигает 0,2—0,35 мм.
Газовое алитирование стали проводят в закрытых ретортах газо-
образным хлористым алюминием, который при высоких температурах
частично диссоциирует и насыщает сталь алюминием.
Длн уменьшения хрупкости поверхностного слоя алитированные
изделия подвергают диффузионному отжигу при 900—1000° С.
Хромирование — поверхностное насыщение стали хро-
мом в твердой, жидкой и газообразной средах. При хромировании ста-
ли в твердой среде применяют порошкообразную смесь из 40—45% фер-
рохрома, 45—50% шамота и 3—5% хлористого аммония. Хромиро-
вание проводят при 1100—1150° С в течение 10—15 ч.
При жидком хромировании изделие нагревают до 900—1100° С
в ванне, состоящей из расплавленных хлористых солей бария, магния
и кальция с добавкой 15—-30% хлористого хрома или 15—25% (ферро-
хрома.
Более прогрессивно газовое хромирование стали. Изделие нагрева-
ют до 950—1050° С в атмосфере газообразного хлористого хрома.
Хромированная сталь окалиностойка (особенно при нагревании
до 800—900° С) и хорошо сопротивляется коррозии в водных раство-
рах некоторых кислот и в морской воде.
138
Силицирование — поверхностное насыщение стали крем-
нием — проводят для повышения износоустойчивости и улучшения
коррозионной стойкости и кислотоупорности изделий. При силициро-
вании в твердой среде применяют порошкообразную смесь из 60%
ферросилиция, 38—39% глинозема или каолина и 2—1% хлористого
аммония. Глубина силицированного слоя стали зависит от выдержки,
составляет 0,2—0,8 мм.
Газовое силицирование стали осуществляется при 950—1050° С в
атмосфере хлористого кремния в течение 2—4 ч. При этом получается
силицированный слой толщиной 0,5—1,24 мм.
Борирование — поверхностное насыщение стали бором для
придания износостойкости и высокой твердости, которая сохраняется
до 950° С. Кроме того, металлизация производится титаном, берил-
лием и другими элементами.
В некоторых случаях после металлизации детали подвергают тер-
мической обработке.
Глава XIII
КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
Сталь классифицируют по способу производства, химическому со-
ставу, структуре и назначению.
По способу производства различают мартеновскую, бессемеров-
скую, томасовскуго, кислородно-конверторную, тигельную и электро-
сталь. По характеру футеровки плавильных агрегатов различают
сталь основную и кислую. По химическому составу — углеродистые
и легированные стали*. По назначению углеродистые стали разделяют
па конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали,
в свою очередь, разделяют на строительные и машиностроительные.
Строительные стали содержат до 0,3 % С; машиностроительные цемен-
тируемые — от 0,025 до 0,3 % С, улучшаемые термообработкой от
0,3 до 0,5% С, пружинные — от 0,5 до 0,8% С; инструментальные —
от 0,7 до 1,3% С.
§ 1. Углеродистые стали
Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества,
качественные и высококачественные.
В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик
сталь обыкновенного качества согласно ГОСТ
380—71, разделяют на три группы А, Б, В, учитывающие условия пос-
тавки:
сталь группы А — поставляют потребителям по механическим свой-
ствам;
Легированные стали выделены в отдельную главу XIV.
139
сталь группы Б — по химическому составу;
сталь группы В —с гарантированными механическими свойствами
и химическим составом.
Углеродистую сталь обыкновенного качества группы А изготов-
ляют следующих марок: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб, Ст7. По
мере увеличения номера стали повышается содержание углерода, а так-
же прочность и твердость, но снижается пластичность и ударная вяз-
кость.
Сталь группы Б изготовляют тех же марок, но перед маркой стали
ставят букву Б (БСтО, БСт1кп). Сталь группы В изготовляют следую-
щих марок; ВСт2, ВСтЗ, ВСт4 и ВСт5.
Стали обыкновенного качества применяют для строительных кон-
струкций и неответственных деталей машин. Если из этой стали из-
готовляют сварные строительные конструкции, то в ней ограничива-
ется содержание углерода, серы, фосфора, азота и других примесей,
ухудшающих качество сварки.
Углеродистая конструкционная сталь обычного качества выпуска-
ется в виде проката — листов, уголков, балок, прутков и т. Д.
Углеродистые стали специального назначения имеют дополни-
тельные индексы, например стали для мостовых конструкций —
СТЗ мост.
Как уже отмечалось, в зависимости от степени раскисления сталь
может быть кипящей, спокойной и полуспокойной. Кипящую сталь
обозначают индексом «кп», спокойную «сп» и полуспокойную «пс».
Спокойная сталь обладает более высокими показателями сопротивле-
ния динамическому нагружению и ударной вязкости. Буквы М (мар-
теновская) и Б (бессемеровская) в марках стали означают способ вы-’
плавки. Так, мартеновскую спокойную сталь обозначают МСт. 2сп,
бессемеровскую кипящую — БСт. Зкп.
Качественные конструкционные углероди-
стые с т а л и в зависимости от содержания марганца разделяют на
две группы (ГОСТ 1050—74): I группа — стали с нормальным содер-
жанием марганца (0,5кп, 0,8кп. 20,	25,...,85, где цифры показы-
вают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента);
II группа — стали с повышенным содержанием марганца (15Г, 20Г,...
70Г, где буква Г означает, что сталь содержит 0,7—1,2% Мп).
Содержание серы и фосфора должно быть не больше 0,04% (каж-
дого) . .
Малоуглеродистые стали 08кп и 05кп широко применяют в виде
листов для штамповки различных деталей (кузова, фары и т д.).
Малоуглеродистые качественные стали 10, 15, 20, 25 применяют
для сварных и клепаных конструкций, а также для деталей, подвер-
гающихся цементации или цианированию (втулки, пальцы, шестерни,
и т. Д.).
Среднеуглеродистые качественные стали 30, 35, 40, 45 и 50 хуже
свариваются, чем стали, указанные выше. Стали 30, 35 и 40 исполь-
зуют для деталей, подвергающихся большим нагрузкам. Стали 45 и
50 применяют для изготовления деталей, также подвергающихся боль-
шим нагрузкам, но после нормализации (см. стр. 114) (коленчатые валы
по
автомобильного двигателя), а также для изготовления мелких деталей
с последующей улучшающей термической обработкой.
Высокоуглеродистые качественные стали 55, 60, 65 и 70 применяют
для изготовления пружин, рессор и зубчатых колес. Высокие эксплу-
атационные свойства достигаются закалкой с последующим отпуском
в интервале 300—400° С.
Инструментальные качественные углеро-
дистые стали предназначены для изготовления режущего, ме-
рительного и штамповочного инструмента небольших размеров, Мар-
ки этих сталей обозначаются так: буква У и цифры показывают со-
держание углерода в десятых долях процента (У7, У8,	У13).
Высококачественные стали содержат более низкое количество серы
(до 0,02%) и фосфора (до0,03%), имеют меньшее содержание неметал-
лических включений, обладают повышенными механическими свой-
ствами.
В обозначениях марок высококачественных сталей в отличие от
качественных ставится буква А.
§ 2. Строительные стали
Наиболее широко в строительстве применяют основную мартенов-
скую сталь. Для элементов строительных конструкций, не подвержен-
ных динамической нагрузке и влиянию низких температур, ранее при-
меняли бессемеровскую сталь. В сварных конструкциях эту сталь
применяли только для малоответственных назначений. Применение
кислорода в конверторном производстве позволило практически пол-
ностью заменить бессемеровскую сталь и значительно расширить об-
ласть применения стали в строительной технике.
Строительные конструкционные стали в основном предназначены
для работы в атмосферных условиях при обычных и пониженных тем-
пературах.
Строительные стали должны обладать хорошей свариваемостью
(не образовывать трещин в процессе сварки и не снижать ударную
вязкость металла вблизи сварного шва), пластичностью, хорошей обра-
батываемостью резанием.
Малоуглеродистую сталь обыкновенного качества применяют для
изготовления строительных конструкций. По данным институтов
электросварки им, Патона и Проектстальконструкции, оптимальный
химический состав строительной малоуглеродистой стали следующий:
0,13—0,18% С; 0,1% Si; 0,4—0,6% Мп; до 0,035% S; до 0,04% Р.
Сталь обычного назначения (ГОСТ 380—71) широко применяется
в строительной технике; поэтому остановимся на ней более подробно.
Сталь группы А подразделяют на три категории. Первая категория
этой стали нормирует показатели временного сопротивления разрыву
и относительного удлинения. Вторая категория кроме первых двух
показателей учитывает также изгиб в холодном состоянии, а третья еще
и предел текучести стали.
14)
Сталь группы В гарантирует не только механические свойства,
но и химический состав, что очень важно для строительных сварных
конструкций.
В строительстве применяют также низколегированные стали
(см. ниже).
Стальные фасонные гнутые профили изготавливают из стали марок
СтО, Ст1, Ст2, СтЗ по ГОСТ 380—71 и стали марок от 08 до 25 включи-
тельно по ГОСТ 1050—74.
Стали, предназначенные для изготовления ответственных металло-
конструкций, подвергают испытанию на чувствительность к старению
после наклепа. Для этого образцы деформируют на 10%. Один обра-
зец испытывают на ударную вязкость до старения, другой — после.
Старение производят в течение 1 ч при 250° С с последующим охлаж-
дением на воздухе.
Показатель чувствительности стали к деформационному старению
определяют по формуле
К = —-....-с- 100%.
Си
где аа — ударная вязкость образца в исходном состоянии; а/ — то
же, после старения.
Если этот показатель более 0,5, из такой стали не разрешают из-
готовлять металлоконструкции.
У Несущие (расчетные) сварные и клепаные конструкции зданий и
сооружений изготовляют из мартеновской и кислородно-конверторной
стали. Для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для свар-
ных конструкций, воспринимающих только статические нагрузки,
применяют в основном мартеновскую сталь.
Нерасчетные элементы конструкций (нс несущие большие нагруз-
ки) изготовляют из мартеновской и бессемеровской стали. В случае
применения сварки следует использовать стали этих марок по группе
Б (ГОСТ 380—71). Сталь группы Б, предназначаемую для изготовле-
ния строительных конструкций, проверяют на свариваемость по спе-
циальному стандарту.
Стали группы А (ГОСТ 380—71) применяют для неответственных
элементов строительных конструкций.
Кровельное железо изготовляют из стали марок МСт1кп, КСт1кп.
Поставляют его в виде отожженных листов толщиной 0,38—0,82 мм.
Листы испытывают па перегиб с образованием двойного кровельного
замка; при этом не должны появляться отслаивания, трещины, на-
дрывы и изломы.
Конструкции из листовой стали: резервуары, газгольдеры, трубо-
проводы и другие изделия изготовляют из стали различных марок:
мартеновской или конверторной, кипящей или пол у спокойной. Эти ста-
ли малочувствительны к концентрации напряжений, не склонны к
хрупкому разрушению и старению после наклепа, обладают хорошей
свариваемостью, достаточно высокой ударной вязкостью.
Арматурная сталь для армирования обычных и предварительно
напряженных железобетонных конструкций подразделяется на четыре
142
класса: А-!, А-И, А-Ш и А-IV. Стержни класса A-I изготовляют из
стали: СтЗкп, СгЗсп, СтЗпс, ВСтЗкп2, КСтЗпс2: стержни класса А-П
диаметром от 10 до 40 мм —- из стали марки ВСт5сп2.
Мостовые металлические конструкции изготовляют из горяче-
катаной малоуглеродистой мартеновской стали (ГОСТ 6713—53).
Сварные конструкции мостов изготовляют из стали марки М16С.
Клепаные конструкции мостов изготовляют из стали марки МСтЗмост.
Структура мостовых сталей должна быть мелкозернистой, однород-
ной. без внешних дефектов (раковины, пористость, трещины, воло-
совины).
Прочностные характеристики (предел прочности, предел теку-
чести, относительное удлинение, ударная вязкость) имеют решающее
значение при выборе марки стали для элементов мостовых конструк-
ций.
До последнего времени строительные стали нс подвергали упроч-
нению термической обработкой. Однако исследования показали, что
термическое упрочнение малоуглеродистой стали повышает ее меха-
нические свойства [предел прочности и предел текучести стали марки
МСтЗкп увеличился на 20—30%; ударная вязкость при температуре
—20° С составляет не менее 40 Дж/см2 (4 кге  м/м2)|. Термическую
обработку осуществляют после прокатки; такая обработка, упрочняя
сталь, позволяет уменьшить массу конструкции па 15—20%.
Строительные стали можно упрочнить холодной обработкой дав-
лением, а также высокотемпературной термомеханической обработкой
при прокатке.
Глава XIV
ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И ОСОБЫЕ СПЛАВЫ
В связи с бурным развитием строительной техники и машиностро-
ения и появлением новых отраслей техники — ракетной, реактивной,
атомной — потребовались сплавы, способные выдерживать широ-
кий диапазон температур (от —269 до 1200° С, а в отдельных случаях
до 2000—2500° С) при повышенных удельных давлениях, в условиях
различных видов износа и агрессивных сред, обладающих определен-
ным комплексом магнитных, электрических, оптических и других
физических свойств. Нет возможности перечислить все те разнообраз-
ные условия, в которых могут работать различные конструкции, ма-
шины, механизмы, приборы, агрегаты.
Однако углеродистые сплавы, даже после термообработки, не могут
по прочности удовлетворять высоким требованиям, предъявляемым
к современным материалам. Углеродистая сталь имеет относительно
малую прокаливаемость, повышенную склонность к старению и к пере-
ходу в хрупкое состояние при пониженных температурах, малую
стойкость против коррозии и т. д.
Сталь называют легированной, если в ее составе имеются специаль-
но введенные (легирующие) элементы или содержится более 1 % Si или
1 % Мп.
143
В качестве легирующих элементов в настоящее время применяют
Сг, Мп, Ni, Si, W, Mo, Ti, Co, Си, V и др. Преимущества легированных
сталей выявляются в большинстве случаев только после термической
обработки.
Если сталь легирована одним элементом, например хромом, нике-
лем или ванадием, ее называют хромистой, никелевой, ванадиевой и
т. д.; если же она легирована двумя или более компонентами, то ее
называют сложнолегированпой (например, хромойикелевованадиевой).
§ 1.	Распределение легирующих элементов и их влияние
на свойства стали
Легирующие элементы в стали могут находиться в свободном со-
стоянии. Эти случаи очень редки. Например, свинец и медь встреча-
ются в чистом виде в свинцовых и медистых сталях. Механические
свойства таких сталей невысоки.
Легирующие элементы могут образовывать с железом химические
соединения (интерметаллические соединения FeSi, Fe3W, FeCr) и
твердые растворы замещения. Интерметаллические соединения часто
играют роль упрочняющей фазы.
Легирующие элементы способны образовывать химические соеди-
нения с неметаллами (MnO, MnS, SiO2, А12О3 и др.).
Все легирующие элементы по отношению к углероду подразделя-
ются на две группы: элементы, не образующие карбидов, и карбидо-
образующие. В периодической системе Менделеева некарбидообразу-
ющие" элементы стоят правее железа. К ним относятся, например,
Ni, Si, Со, Си, А| и некоторые другие.
Карбидообразующие элементы в периодической системе Менделее-
ва стоят левее железа: к ним относятся Мп,Сг, W, Mo, V, Ti, Nb, Та
и др. Менее устойчивые карбиды находятся в начале этого ряда. Если
в сплаве несколько легирующих элементов, то сперва образуются
карбиды с более активными из них (согласно вышеуказанному ряду).
В стали, содержащей карбидообразующие элементы в большом ко-
личестве, образуются простые и сложные карбиды.
Простые карбиды имеют химическую формулу (Fe, М)3С,
где М — легирующий элемент в стали.
Сложные карбиды (Cr,Fe)7C3; (Cr, Fe)03Ce и др. образуются
на основе цементита путем замещения атомов основного металла леги-
рующим элементом.
Легирующие элементы, растворяясь в феррите или аустените, ока-
зывают разное влияние на полиморфизм железа. -
Одни легирующие элементы (аустеиитообразующие) расширяют
у-область, повышая точку Ал (см. рис. 40) и понижая точку А3.
Другие легирующие элементы (ферритообразующие) сужают у-
область и расширяют «-область. Они понижают точку А,, и повышают
точку А;.
К элементам первой группы относятся Мп, Ni, С, N, Си, Cd, а к эле-
ментам второй группы — Zn, В, Be, Al, Si, V, Ti, Mo, W, Ta, Nb, Cr.
Легирующие элементы, растворимые в феррите, изменяют его свой-
ства, а следовательно, и свойства стали, так как феррит является ос-
новой многих структур стали.
Все легирующие элементы сдвигают точки Е и S влево.
Легирующие элементы, растворенные в аустените (за исключением
кобальта), уменьшая критическую скорость закалки, увеличивают
прокаливаемость и улучшают закаливаемость стали. Это позволяет
получать высокие механические свойства в больших сечениях и при-
менять при закалке в качестве охлаждающей среды масло или воздух,
что способствует уменьшению внутренних напряжений.
При закалке легированной стали в ней остается больше остаточного
аустенита, чем в углеродистой. При отпуске легирующие элементы
оказывают существенное влияние на превращения, что часто делает
необходимым проводить отпуск при более высоких температурах. При
одинаковых температурах отпуска твердость легированной стали
будет больше, чем углеродистой.
Легированные стали содержат три фазы: легированный феррит,
легированный аустенит и легированный цементит (карбиды). Легиро-
ванный феррит представляет собой твердый раствор легирующих
элементов в «-железе. Свойства легированного феррита улучшаются
по мере увеличения легирующих элементов. Легированный аустенит
представляет собой твердый раствор легирующих элементов в -у-же-
лезе. Легированный аустенит увеличивает прочность стали не только
при комнатных температурах, но и при повышенных, а также сущест-
венно изменяет коррозионные, магнитные и электрические свойства.
Легированным называют цементит, в котором часть атомов железа
заменена атомами легирующего элемента.
§ 2.	Классификация легированных сталей
Согласно существующим стандартам легированные стали класси-
фицируют по химическому составу, микроструктуре и назначению.
Для обозначения марок стали по ГОСТу принята буквенно-цифро-
вая система. Буквы обозначают присутствие в стали определенного
элемента; цифры, стоящие перед буквами, показывают содержание
углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, в инстру-
ментальных —- в десятых долях процента. Цифры, стоящие за буквами,
показывают содержание легирующих элементов в процентах. Буквами
обозначены следующие элементы:
А — азот
Б — ниобий
В — вольфрам
Г — магний
Д— медь
Е — селен
К — кобальт
М — молибден
Н — никель
П — фосфор
Р — бор
С — кремний
Т — титан
Ф — ванадий
X — хром
Ю — алюминий
Если содержание элементов не превышает 1,5%. то цифры не ста-
вят. Буква А, стоящая в конце марки, означает, что сталь высоко-
качественная. Например, сталь марки 35XH3MA — высококачествен-
ная, содержащая 0,35% С, 1% Сг, 3% Ni, 1% Мо.
144
6—545
145
По химическому составу легированные стали раз-
деляют на тройные, содержащие один легирующий элемент (хромистые,
никелевые, молибденовые); четверные, содержащие два легирующих
элемента (хромоникелевые, хромомарганневые и т. д.), и сложные,
содержащие три, четыре и более легирующих элементов (хромомар-
ганцевоникельтитановая сталь и т. д.).
По химическому составу легированные стали делятся на три клас-
са: низколегированные с общим содержанием легирующих элементов
до 2,5%; среднелегированные — от 2,5 до 10%и высоколегированные,
содержащие более 10% таких элементов.
Нержавеющие, шарикоподшипниковые, быстрорежущие и неко-
торые другие легированные стали выделены в особые группы; они име-
ют следующее буквенное обозначение: быстрорежущие — Р, хроми-
стые нержавеющие — Ж, шарикоподшипниковые — Ш, хромонике-
левые нержавеющие — Я, магнитые — Е.
Классификация по структуре. В зависимости от структуры, полу-
чаемой после нормализации, легированные стали делят на пять
классов; перлитная, мартенситная, аустенитная, ферритная и кар-
бидная (ледебуритная).
Стали перлитного класса содержат незначительное
количество легирующих элементов (обычно не более 5—6%), хорошо
обрабатываются давлением и резанием. После нормализации имеют
структуру перлита (сорбита, троостита). После закалки и отпуска за-
метно повышают механические свойства. Большинство конструкционных
и инструментальных сталей относятся к сталям перлитного класса.
Стали мартенситного класса содержат значитель-
ное количество легирующих элементов, характеризуются высокой твер-
достью, трудно обрабатываются резанием; вследствие этого нс полу-
чили широкого распространения. Структура этих сталей —легирован-
ный мартенсит и избыточные карбиды.
Стали аустенитного класса содержат большое коли-
чество (от 12 до 30% и более) легирующих элементов, расширяющих
7-область (Мп, Ni, Сг). Эти стали обладают высокими прочностными
свойствами, большой пластичностью и вязкостью, высоким сопротив-
лением коррозии, а также приобретают такие ценные свойства, как
износостойкость, жаропрочность, немагяитность и другие особые
свойства. Эти стали не подвергают упрочняющей термической обра-
ботке, так как они не претерпевают фазовых превращений в твердом
состоянии, сохраняя аустенитную структуру.
Стали ферритного класса также содержат большое
количество легирующих элементов (Сг, W, Si), малое количество
углерода. В твердом состоянии ферритные стали не претерпевают
фазовых превращений и поэтому их не подвергают упрочняющей тер-
мической обработке, имеют структуру феррита и небольшого коли-
чества карбидов.
Сталь карбидного класса (ледебуритная) содержит
значительное количество углерода и карбидообразующих элементов
(Сг, W, Мп, Ti, Zr). В этой стали образуются сложные карбиды, рас-
полагающиеся в основной металлической массе, которая в зависи-
146
мости от химического состава может быть сорбитной или мартенсит-
ной. Стали этого класса имеют высокую твердость и износостой-
кость.
При ковке стали карбидного класса включения карбидов равно-
мерно распределяются в основной металлической массе в виде глобу-
лей.
Из стали карбидного класса изготовляют главным образом режу-
щие инструменты.
По структуре в отожженном состоянии легированные стали делятся
на четыре группы: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и
ледебуритные.
Классификация по назначению. По назначению легированные ста-
ли разделяют на три класса конструкционные, инструментальные и
стали с особыми физическими свойствами.
Конструкционные стали подразделяются на два под-
класса: стали, применяемые при обычных температурах, и стали, при-
меняемые при повышенных температурах.
Инструментальные стали подразделяются на три
подкласса: для режущего инструмента, для штампового инструмента
и для измерительного инструмента.
Стали с особыми свойствами, т. е. стали, облада-
ющие специальными физическими, химическими и механическими
характеристиками.
§ 3.	Легированные конструкционные стали
Легированные конструкционные стали должны обладать высокой
прочностью, твердостью, пластичностью, вязкостью, выносливостью
при ударных и знакопеременных нагрузках. Одновременно эти стали
должны быть экономичными и иметь хорошие технологические свой-
ства. Сочетание механических и физических свойств позволяет леги-
рованным сталям повысить реальную конструктивную прочность дета-
лей машин и конструкций.
Обычно легированные конструкционные стали после закалки в
масле и отпуске при температуре 300—400° С приобретают более
высокие механические свойства, чем углеродистые конструкционные
стали, благодаря более глубокой прокаливаемости, а следовательно,
и более однородным свойствам по сечению детали. Однороднее про-
исходит упрочнение феррита и измельчение зерен стали. Наиболее
высокие механические свойства достигаются при легировании конст-
рукционной стали цесколькими элементами.
Низколегированные конструкционные ста-
л и широко применяют в строительстве и машиностроении. Марган-
цовистые стали марок 15г, 20г,..., 50 Г, 40Г2 и др. (ГОСТ 4543—71)
содержат 0,7—1,8% Мп. Марганец недефицитный элемент; в стали
образует с ферритом и аустенитом твердый раствор, а с углеродом —
карбиды. Он увеличивает прокаливаемость стали, так как придаст
устойчивость аустениту и снижает критические точки.
«*	147
Марганцовистые конструкционные стали, содержащие более 1,5%Мп,
имеют повышенную склонность к отпускной хрупкости; их удар-
ная вязкость резко снижается при медленном охлаждении после от-
пуска.
Кремнистые стали марок 50С2, 55С2, 60С2, 7ОСЗА содержат крем-
ния от 1,5 до 2,8 % (ГОСТ 14959—69). Кремний также недефицитный ле-
гирующий элемент; из кремнистой стали изготавливают рессоры и пру-
жины. После закалки в масле и отпуске при 300—400° С такая
сталь приобретает высокую прочность, ударную вязкость и пластич-
ность.
Хром в СССР не является дефицитным легирующим элементом,
поэтому хромистые конструкционные стали широко применяют в
промышленности. Хром снижает критическую скорость закалки и
увеличивает прокаливаемость стали, повышая устойчивость аустени-
та. После закалки и высокого отпуска в стали повышается предел
прочности и текучести, пластичность почти не изменяется, а твер-
дость повышается благодаря образованию карбидов, вязкость несколь-
ко снижается. В машиностроении широко применяют хромистые
конструкционные стали марок 15Х, 20Х,..., 50Х (ГОСТ 4543—71) с
содержанием 0,7—1,1% Сг.
Широкое распространение имеет сталь марки 15ХА. Изделия из
этой стали подвергают цементации. Для получения в цементованном
слое мартенситной структуры и высокой твердости сталь марки
15ХА закаливают с охлаждением в масле для уменьшения дефор-
маций изделия.
Добавка 0,1 % V к хромистой стали измельчает структуру металла.
Это положительно влияет на пластичность стали, уменьшает склон-
ность ее к перегреву, повышает механические свойства (особенно
ударную вязкость).
Из стали марки 40Х изготовляют коленчатые валы и другие ответ-
ственные детали. Сталь марки 50ХФА предназначена для изготовления
особо ответственных пружин.
Хромомолибденовую сталь 35ХМА применяют для изготовления
вы соконагруженных болтов, шпилек, шестерен, валов. Присадка в
сталь 0,4—0,55% Мо увеличивает ее прокаливаемость, уменьшает
склонность к перегреву и устраняет отпускную хрупкость. Благодаря
хорошей свариваемости хромомолибденовую сталь используют в свар-
ных конструкциях.
Хромокремнемарганцовистая сталь 13ХГСАи другие хорошо сва-
риваются. Из этой стали изготовляют валики, оси и сварные конструк-
ции, работающие при знакопеременных нагрузках.
Никель — очень полезный, но в то же время дефицитный легиру-
ющий элемент; его следует применять лишь там, где другие легирую-
щие элементы не могут обеспечить требуемых параметров. Никель
увеличивает прокаливаемость стали, повышает устойчивость аустени-
та и уменьшает критическую скорость закалки. После закалки и от-
пуска прочность никелевых сталей повышается без заметного умень-
шения пластичности и вязкости металла. Чисто никелевые стали не
получили широкого применения, так как сложные стали, в которых
148
никель используется в сочетании с другими легирующими элемента-
ми обладают лучшими свойствами. Хромоникелевые стали (ГОСТ
4543__71) обладают высокими механическими свойствами и большой
прокаливаемостью. Сталь марок ЗОХНА и 40ХН используют для из-
готовления высоконагружаемых изделий различных сечений.
Сталь марок 12ХНЗА и 12ХН4А служит для изготовления зубча-
тых колес, валов, пальцев, осей и других деталей, подвергаемых
цементации.
Большое применение получила также хромоникельвольфрамовая
сталь (18ХНВА). Ее применяют после закалки и низкого отпуска,
а также после цементации с последующей закалкой и отпуском.
§ 4.	Легированные строительные стали
В течение многих лет основным материалом для строителыгых
стальных конструкций была только малоуглеродистая сталь. Однако
такая рядовая сталь не может полностью удовлетворить растущие по-
требности строительной техники.
Стремление к снижению массы (веса) строительных конструкций
и уменьшению их сечений, а также необходимость применения сталей
с более высокими физико-механическими свойствами, повышенной
коррозионной стойкостью и пониженной чувствительностью к хладо-
ломкости и старению вызвали необходимость замены углеродистых
сталей низколегированными.
Низколегированные стали (ГОСТ 5058—65) применяют в строи-
тельстве для сварных и клепаных конструкций.
Наибольшее применение в строительной технике для металличе-
ских конструкций получили низколегированные стали марок 10ХСНД,
15ХСНД, 16ГС, 10Г2СД, 09Г2, 14Г2 и др. Для улучшения структуры,
уменьшения ее чувствительности к старению и хладоломкости иногда
вводят (в сотых долях) титан, бор, вольфрам, ванадий, цирконий.
Низколегированные стали понижают температуру перехода в хрупкое
состояние; при температурах ниже —40° С их ударная вязкость не
должна снижаться более чем на 50%.
Низколегированные строительные стали обладают высокой плас-
тичностью и ударной вязкостью. После старения при 40° С ударная
вязкость этих сталей должна составлять не менее 0,3 МДж/м4
(3 кге м/см2). Предел текучести о0 2 является основной характери-
стикой стали при расчете элементов строительных конструкций. Если
у углеродистых сталей ос, 2 220—230 МН/м® (22—23 кге/мм2),
то для низколегированной о0>2 = 340-5-370 МН/м® (34—37 кге/мм2),
т. е. в 1,5 раза выше. Низколегированные строительные стали обла-
дают высокой пластичностью (6 == 18—20%, ф = 45—50%) и удар-
ной вязкостью вдоль волокна аа — 0,8 МДж/мг (8 кгс-м/см®) и по-
перек волокна ан ~ 0,6 МДж/м® (6 кге-м/см2).
Для армирования железобетонных конструкций применяют сталь
марок 18Г2С, 20ХГ2С (ГОСТ 5058-65).
149
§ 5.	Легированные инструментальные стали
Эти стали применяют для изготовления инструмента в тех случа-
ях, когда углеродистая сталь является недостаточно стойкой в рабо-
те. Низколегированные инструментальные
стали сохраняют высокую твердость при температурах до 250° С,
а высоколегированные — до 600° С.
Рис. 54. Графики термической обработки стали Р18
Низколегированные инструментальные стали марок X, 9ХС, ХГ,
ХВГ и некоторые другие относятся к группе эвтектоидных изаэвтек-
тоидных сталей. По сравнению с углеродистыми эти стали обладают
несколько большей твердостью и износоустойчивостью.
Высоколегированные инструментальные
стали содержат значительное количество карбидообразующих эле-
ментов, которые повышают способность стали сохранять твердость
и режущие свойства инструмента при повышенных температурах
(красностойкость). Обычно для изготовления режущих инструмен-
тов применяют сталь марки Р18 (0,8% С, 18% W, 4% Сг и 1,5%V) и
сталь марки Р9 (0,9% С, 9% W, 4% Сг и 2—2,5% V) после соответст-
вующей обработки. Эти стали называют быстрорежущими; изготов-
ленные из них инструменты могут работать при высоких скоростях
резания.	t
150
Структура литой быстрорежущей стали состоит из перлита, леде-
бурита и вторичных карбидов. После обработки давлением и отжига
получаем структуру из сорбитообразного перлита и избыточных кар-
бидов.
Высокие режущие свойства быстрорежущая сталь получает после
соответствующей термической обработки (рис. 54). При закалке этой
стали из-за плохой ее теплопроводности нагрев до 850°С должен быть
очень медленным во избежание термических напряжений и образо-
вания трещин с последующей выдержкой при этой температуре. На-
грев с 850 до 1300° С, когда сталь уже находится в достаточно пласти-
ческом состоянии, наоборот, должен быть очень быстрым, выдержка
кратковременная, чтобы предотвратить обезуглероживание поверх-
ности инструмента. Высокие температуры при закалке стали Р18
(1250—1300° С) требуются для возможно более полного растворения
вторичных карбидов в аустените. После нагрева до указанных тем-
ператур закалки и надлежащей выдержки инструменты охлаждают
в масле или на воздухе.
В результате закалки получается структура, состоящая из мартенси-
та, остаточного аустенита и сложных карбидов. После закалки твер-
дость быстрорежущей стали равна HRC 61—63.
Для получения необходимых свойств закаленный инструмент под-
вергают высокому отпуску при температуре 560°±10°С. При этом из
мартенсита выделяются карбиды вольфрама и ванадия, которые по-
вышают твердость инструмента. Кроме того, происходит превращение
остаточного аустенита в мартенсит. Для некоторых видов инструмен-
тов широко применяют ступенчатую закалку быстрорежущей стали
в расплавленных солях при 530—550° С.
Однократный отпуск стали марки Р18 (рис. 54, б) не обеспечи-
вает перевода всего остаточного аустенита в мартенсит. Поэтому для
получения наилучших режущих свойств применяют многократный от-
пуск стали Р18 (чаще всего три отпуска в течение 1 ч каждый, рис. 54,
а). Твердость повышается до HRC 64. В некоторых случаях возможно
применение режима 111 (рис. 54, е); после каждого отпуска охлажде-
ние проводят при температуре 300° С в течение 3 ч. Обработка быст-
рорежущей закаленной стали холодом при —80° С, во время которой
значительная часть остаточного аустенита переходит в мартенсит,
позволяет ограничиться однократным отпуском. После указанной
термообработки структура состоит из мартенсита и карбидов. Для
повышения режущих свойств инструмент из быстрорежущей стали
после отпуска иногда подвергают низкотемпературному цианирова-
нию.
§ 6.	Стали с особыми свойствами
Легированные стали и сплавы с особыми физическими и химиче-
скими свойствами можно разделить на пять классов: нержавеющие;
жаростойкие (окалиностойкие, термостойкие) и жаропрочные; износо-
устойчивые; магнитные; с особыми тепловыми свойствами.
151
Нержавеющая сталь обладает высоким сопротивлением коррозии
в различных агрессивных средах. Наиболее широкое применение по-
лучили нержавеющие стали, содержащие 0,1—0,45% С и 12—14% Сг.
Хром образует на поверхности стали тонкую и плотную пленку окиси
хрома, которая надежно защищает изделие от разрушения в агрессив-
ной среде. Высокой коррозионной стойкостью обладают также хромо-
никелевые стали аустенитного класса (0,12—0,14% С, 17—20% Сг и
8—11% Ni).
Жаростойкие стали (окалиностойкие) — это сплавы, которые в
течение длительного времени при температурах выше 550° С не раз-
рушаются с поверхности под действием газовой среды.
Жаростойкие сплавы и стали применяют для изготовления деталей,
подвергающихся воздействию высоких температур, ио не испытываю-
щих большой нагрузки. В некоторых случаях такие стали используют
для нагревательных элементов печей.
Жаропрочные стали и сплавы должны иметь не только достаточную
окалиностойкость, но и сохранять механические свойства при высо-
ких температурах.
В состав жаростойких сплавов вводят хром, алюминий и кремний,
которые увеличивают сопротивляемость стали воздействию окисли-
тельных газов (газовой коррозии) при высоких температурах. Дейст-
вие этих элементов основано на образовании тонких, плотных оки-
сных пленок па поверхности стали и сплавов, защищающих основной
металл от окисления.
Хромистая сталь (12—14% Сг) обладает достаточной окалино-
стойкостью до 750—800° С. При содержании в стали 15—17% Сг
окалиностойкость сохраняется до 850—1000° С, а при 30% Сг—до
1100°С.
Сложные легированные стали, содержащие большое количество
кремния, хрома, никеля (Х6СЮ, 4Х9С2, 1Х12СЮ, Х18Н25СЮ), об-
ладают высокой окал и нестойкостью при нагреве от 800 до 1100° С.
Для изготовления деталей, подверженных действию высоких тем-
ператур и давления, обычно применяют хромоникелекремнистую сталь
марки Х25Н20С2. Детали паровых и газовых турбин и клапаны из-
готовляют из более сложной стали марки 4Х14Н14В2М.
Из группы износостойких сталей упомянем марганцовистую сталь
(0,9— 1% Си около 12—14% Мп), которая после закалки в воде при
1000—1050°C имеет чисто аустенитную структуру. Эту сталь приме-
няют для изготовления деталей, которые при большой вязкости долж-
ны обладать и высокой сопротивляемостью износу (черпаки и козырь-
ки землечерпательных машин, экскаваторов, драг, дробильные щеки,
железнодорожные стрелки и крестовины).
Магнитные стали разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.
Магнито мягкие стали используют для изготовления сер-
дечников, трансформаторов, генераторов, электромоторов и электро-
магнитов (динамная и трансформаторная стали). Эти стали должны
обладать высокой магнитной проницаемостью, малыми потерями на
гистерезис и на вихревые токи. Коэрцитивная сила этих сталей должна
быть небольшой.	1
152
Магнитотвердые стали необходимы для изготовления
постоянных магнитов, которые устанавливают в ряде измерительных
приборов, радиоаппаратуре и т. д. Эти стали должны обладать высо-
кой коэрцитивной силой и высокой остаточной индукцией. Постоянные
магниты изготовляют из сложных сталей, легированных Со, W, Сг,
Ni, Си и А1.
Высокие магнитные свойства и их стабильность в магнитотвердых
сталях достигаются не только путем введения определенных количеств
легирующих элементов, но и при соблюдении специальных режимов
термической обработки. Сначала проводят нормализацию при тем-
пературе 1100—1250° С, затем нагрев под закалку до температур 830—
850° С с охлаждением в масле и, наконец, отпуск при 100° С (охлаж-
дение на воздухе).
Стали с большим содержанием никеля (35—44%) н малым содер-
жанием углерода (до 0,35%) имеют аустенитную структуру, что обес-
печивает низкий коэффициент их теплового расширения при нагреве.
Известны стали трех марок с особыми тепловыми свойствами: ин-
вар (36% Ni) и супер-инвар (31% Ni и 50% Со), платинит (42% Ni)
и элинвар (Х8Н36). Коэффициент линейного расширения инвара от
—50 до -j-100° С близок к нулю. Однако при температуре выше 100° С
этот коэффициент повышается и при 275° С становится больше коэф-
фициента линейного расширения обыкновенных сталей. Инвар при-
меняют в точном приборостроении (геодезические и оптические при*
боры).
Платинит имеет коэффициент линейного расширения, близкий к
коэффициенту линейного расширения стекла, хорошо припаивается
к нему (заменяет дорогую платину).
Элинвар отличается постоянным модулем упругости, практически
не изменяющимся в пределах температур от —50 до +100° С. Из элин-
вара изготовляют часовые пружины, камертоны и детали многих фи-
зических приборов.
§ 7.	Твердые сплавы и керметы
Твердые сплавы, изготовленные на основе тугоплавких карбидов,
отличаются высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, жаро-
стойкостью и хорошим сопротивлением коррозии.
По способу производства они разделяются на литые и металло-
керамические, получаемые спеканием порошков карбидов вольфрама
и титана с кобальтом или никелем.
Литые сплавы — стеллиты — содержат до 2,5% С; около 40% Сг;
13—17% W; 50—55% Со и незначительное количество никеля; они
обладают высокой твердостью (HRC до 65).
Заменители стеллитов — сормашпы — содержат около 3% С; 30%
Сг; 60% Fe, имеют твердость HRC около 60.
Сталинит не содержит дефицитного вольфрама (10% С; 18% Сг;
15% Мп и 57% Fe); имеет очень высокую твердость (HRC 65). Эти спла-
вы выпускаются в виде прутков диаметром 5—10 мм и длиной 200—
300 мм. Благодаря высокой твердости при температурах 600—800° С
153
они применяются для покрытия деталей машин, работающих при вы-
соких температурах.
Для получения металлокерамических твердых сплавов использу-
ется порошкообразная смесь карбидов вольфрама и металлического
кобальта (иногда также карбида титана), которую подвергают прес-
сованию и последующему спеканию, В готовом виде металлокерами-
ческий твердый сплав состоит из мельчайших зерен карбидов воль-
фрама (и титана), связанных между собой кобальтом. Эти сплавы
облагают особо высокой твердостью (HRC до 85) вплоть до темпера-
туры 800 900° С.
Пример обозначения вольфрамокобальтового твер-
дого сплава, спекаемого на базе карбидов вольфрама, где в ка-
честве связующего служит кобальт: ВК2, ВК6, ВК15. Цифра, стоя-
щая после букв, показывает содержание кобальта; так, например,
сплав ВК8 содержит 92% карбидов вольфрама и 8% кобальта.
Титановольфрамовые твердые сплавы обо-
значают так: ТК15, Т5КЮ, Т30К4. Примерный состав сплава
Т14К8: 78% карбидов вольфрама, 14% карбидов титана и 8% кобаль-
та. Микроструктура вольфрамокобальтовых сплавов состоит из двух
фаз: карбидов вольфрама и твердого раствора вольфрама и углерода
в кобальте. Микроструктура титановольфрамовых твердых сплавов
состоит из карбидов вольфрама и титана и твердого раствора на ос-
нове кобальта с карбидами вольфрама и титана.
Для деталей, работающих при высокой температуре, от которых тре-
буется одновременно жаропрочность, окалиностойкость, коррозион-
ная стойкость и твердость, применяют керметы.
Керметами называют порошковые сплавы, являющиеся сочетани- 
ями металлов и неметаллических материалов (карбидов, окислов,
нитридов, боридов, силицидов). Связукщим материалом могут слу-
жить порошки никеля, кобальта, хрома и др.
Температуру до 500°C хорошо выдерживают керметы на алюминие-
вой основе (сплав САП, состоящий из 80% А1 и 20% А1гО3).
Глава XV
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ. АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1.	Алюминий и сплавы на основе алюминия
Алюминий — металл ссребристо-белого цвета, трехралентен, на-
ходится в II группе периодической системы элементов, порядковый
номер 13. Его атомный радиус 1,43А; имеет гранецентрированную
кристаллическую решетку с параметром от 4,041 до 4.047А, изменяю-
щимся в зависимости от чистоты алюминия. Плотность алюминия в
зависимости от температуры имеет следующие значения:
Температура, "С............. 20	100	400
Плоткесгь, кг;мЕ...........£703	2690 2620
154
В зависимости от чистоты температура плавления алюминия колеб-
лется от 667 до 660е С. Чистый алюминий обладает высокой
пластичностью (Ss;40%), небольшой прочностью (oB«s80 МН/м® (МПа),
высокой электропроводностью, относительно высокой тепло-
проводностью, теплоемкостью и коррозионной стойкостью на воздухе.
В зависимости от содержания примесей чистый алюминий по ГОСТ
11069—64 подразделяется на особо чистый А999 (99,999% А1) и вы-
сокой чистоты А99, А995, А97, А95 и технически чистый А85, А8, А7,
А6, А5 и т. д. Примеси значительно снижают электропроводность,
теплопроводность и пластические свойства алюминия.
Низкий предел прочности чистого алюминия сильно ограничивает
область его применения. В качестве конструкционных материалов
промышленность широко применяет сплавы алюминия с другими ме-
таллами и неметаллами, сочетающие в себе лучшие свойства чистого
алюминия и повышенные прочностные характеристики добавок. За
последние годы в технике нашли применение многокомпонентные ле-
гированные сплавы на основе алюминия, которые по своим прочност-
ным и другим свойствам конкурируют с традиционными сплавами на
основе железа и других металлов.
Все сплавы на основе алюминия подразделяются на два
класса — деформируемые и литейные.
Деформируемые алюминиевые сплавы. В зависимости от химичес-
кого состава деформируемые сплавы можно разделить на следующие
семь групп: сплавы на основе системы А1—Мп (АМц); сплавы на осно-
ве системы А1—Mg—Si (АД31, ДДЗЗ, АД35, АВ); сплавы на основе
системы А1—Си—Mg (Д1, Д16, В65, ВД17, Д18, Д19); сплавы на осно-
ве системы Al—Mg—Мп (АМг1, АМг2, АМгЗ, АМг5, АМгб);
сплавы на основе системы А!—Mg—Zn—Си (В93, В94, В95, В96); спла-
вы на основе системы А1—Се—Mg—Ni—Fe (АК2, АК4, АК4-1);
сплавы на основе системы А1—Si—Mg—Си (АКб—АК8).
Алюминиевые деформируемые сплавы разделяются на сплавы, уп-
рочняемые и неупрочняемые термической обработкой.
Деформируемые алюминиевые сплавы, подвергаемые механиче-
ской и термической обработке, имеют специальные буквенные обо-
значения, указывающие характер этой обработки; М (мягкий) — отож-
женный; Н — нагартованный, Т — термически обработанный (после
закалки и естественного старения), Т1 — после закалки и искусст-
венного старения, TH — нагартованный после закалки и естествен-
ного старения, ТНВ — нагартованный после закалки и естественного
старения с повышенным качеством выкатки, О — отожженные лис-
ты с повышенной выкаткой, А — плакированные листы, Б — без
плакировки (листы), УП — утолщенная плакировка, Р — сплав для
заклепок. По новому ГОСТу принята единая цифровая марки-
ровка.
Обработкой давлением в холодном или горячем состоянии из этих
сплавов изготавливают трубы, уголки, тавры, плиты, листы и т. д.
Высокопластичные термически неупрочняемые
сплавы разделяют на «мягкие» (АД, АДО, АД1, АМц, АМг, АМг2)
и «твердые» (АМгЗ, АМгб, АМгб). Содержание магния в этих сплавах
155
колеблется от 2 до 7%, а марганца 1,0—1,6%. По структуре эти спла-
вы представляют однородный твердый раствор марганца, магния, меди
и других элементов в алюминии. Упрочнение указанных сплавов дос-
тигается деформацией в холодном состоянии (наклеп, нагартовка).
В строительстве и мостостроении термически неупрочняемые алю-
миниевые сплавы применяют для несущих сварных конструкций (фер-
мы, арки, балки и т. д.), малонагруженных и ненагруженных эле-
ментов конструкций здания (кровельные настилы, стеновые панели,
дверные и оконные переплеты, арматурные детали).
В строительстве применяют сплавы АМгбМ (5,8—6,8% Mg, 0,5—
0,8% Мп, 0,02—0,1 % Ti), АМг5 (4,7—5,7% Mg, 0,2—0,6 % Мп), АМгЗМ
(3,2—3,8% Mg, 0,3—0,6% Мп, 0,5—0,8% Si), АМг5ВМ (4,8—5,5% Mg,
0,3—0,6% Мп, 0,02% V). Все эти сплавы обладают высокой корро-
зийной стойкостью.
Сплав марки АМгб в состоянии поставки (АМгбМ) обладает следу-
ющими механическими свойствами: = 320 МН/м2 (МПа); НВ
800 МН/ма (МПа), 6 =20%. Прочность этого сплава по сравнению
со сталью марки СтЗ в 1,9 раза больше; по сравнению с легированной
сталью марки 15ХСНД — в 1,38, а марки 10ХСНД — в 1,17 раза.
Сплав высокой прочности АМг4ВМ (ав = 280 МН/м2 (МПа),
5 — 15%) применяют для сварных ответственных конструкций.
Деформируемые сплавы, упрочняемые тер-
мической обработкой. Сплавы этой подгруппы приобре-
тают высокие механические свойства и хорошую сопротивляемость
коррозии только в результате термической обработки. Эти сплавы
делят на авиаяи (АВ, АД31, АДЗЗ), дуралюмин (Д1,Д16; АК6, АК8),
сплавы высокой прочности (В96, В95) и специальные сплавы, работаю-
щие при повышенных температурах — жаропрочные (АК4, АК4-1,
ВД17). Термическая обработка заключается в закалке и последующем
старении. Изменение структуры можно проследить по диаграмме со-
стояния системы А1—Си (рис. 55). Выбор температуры закалки опре-
деляется левой частью этой диаграммы. При обычной температуре
содержание Си составляет 0,5%; с возрастанием температуры раство-
римость меди в алюминии увеличивается при эвтектической темпера-
туре (548° С).
Из диаграммы видно, что алюминий с медью образует ограниченные
твердые растворы различной концентрации (в зависимости от тем-
пературы) и химическое соединение СиА12. Сплавы А1—Си, содер-
жащие до 0,5% Си, после медленного охлаждения имеют однофазную
структуру а-раствора меди в алюминии; при содержании 0,5—
5,7% Си — двухфазный а-раствор -|-СиА12. Если этот двухфазный
сплав нагреть до температуры выше линии предельной растворимости
меди в алюминии, то химическое соединение СиА1г растворится в алю-
минии и сплав станет однофазным. Это обстоятельство используется
При закалке А1—Си сплавов. При быстром охлаждении примерно с
температуры 550 ’ С СиА13 не успевает выделиться из с< -твердого раст-
вора и последний зафиксируется в неустойчивом метастабильном сос-
тоянии. Этот пересыщенный твердый раствор сохраняется, как пра-
вило, около 30 мин (инкубационный период) и в дальнейшем распадает-
156
ся с выделением соединения СцА12. Происходит процесс старения.
После старения прочность и твердость увеличиваются. Во время ин-
кубационного периода можно осуществлять пластическую деформацию.
По окончании этого периода производить ковку, гибку, отбортовку
невозможно.
Естественное старение протекает при комнатной температуре и
заканчивается через 4—7 суток. При искусственном старении этот
процесс протекает при тем-
пературе 150—180° С с вы-
держкой 2—3 ч.
Выделившиеся дисперсные
частииы (6'-фаза) не отлича-
ются по химсоставу от
СиА12 и вызывают упрочнение
сплава; так, например, если
алюминиевомедный сплав
после отжига имеет предел
прочности разрыву ов=200
МН/м® (МПа), и свежезака-
ленный сплав 250 МН/м®
(МПа), то после старения
прочность повышается до 400
МН/м® (МПа).
Если сплав после естест-
Рис. 55. Часть диаграммы состояния
сплавов системы алюминий — медь:
ж. с. — жидкий сплав, э — эвтектика
венного старения подвергнуть
кратковременному нагреву
при 150—250° С, то он вновь
приобретает свойства свеже-
закаленного сплава (явление
возврата). Это широко используют на практике при выполнении
различных технологических операций, связанных с пластической
деформацией.
С течением времени сплав, обработанный на «возврат», вновь под-
вергается естественному старению.
К сплавам низкой прочности ов < 300 МН/м2 (МПа) относятся
марки АМг1, АМг2, АМгЗ, АМг4,АМг5. Они обладают хорошей кор-
розийной стойкостью. Средней прочностью ов — 300 до 450 МН/м®
(МПа) обладают ковочные сплавы АК4, АКБ, АК8, а также дуралю-
мин Д1, Д16, Д19 и др. Их применяют после закалки и искусственно-
го или естественного старения. Холодная пластическая деформация со
степенью обжатия 5—10 % повышает прочностные свойства дуралюмина.
Сплавы высокой прочности (ав>450 МН/м®) типа В93, В95 применя-
ют после закалки и искусственного старения.
Литейные алюминиевые сплавы находят в промышленности широ-
кое применение. ГОСТ 2685—63 предусматривает более 35 марок
литейных алюминиевых сплавов, которые можно разделить на шесть
основных групп (по химическому составу):
На основе системы А1—Si {силумины}'. АЛ2, АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ6,
АЛ9, АЛ4М, ВАЛ5 и др.; Al—Mg: АЛ8, АЛ13, АЛ22, АЛ23, АЛ23-1,
157
АЛ27, АЛ27-1, АЛ28, АЛ29 и др.; Al—Си: АЛ7; АЛЮ; Al—Zn; АЛ 11,
АЛ24; поршневые: АЛ10В, АЛ25, АЛ26, АЛЗО; жаропрочные: АЛ1,
АЛ20, АЛ21, ВАЛ1-, АЦР-1 и др.
Химический состав некоторых из этих сплавов представлен в
табл. 3.
Таблица 3
Химический состав некоторых литейных алюминиевых сплавов
(ГОСТ 2685—63)
		Химический		состав, %	Al —основа	
Марка сплава	Mg	я	Мп	Си	Ti	Прочие элементы
АЛ2			10,0—13,0				
АЛ4	0,17—0,3	8,0—10,5	0,2—0,5			
АЛ9	0,2—0,4	6,0—8,0				
АЛ7					4,0—5,0		
АЛО	—		0,6—1,0	4.5-5,8	0,15—0,35	
АЛ27	9,5-11,5	-	—	—	0,05—0,15	0,05-0,1 Sb 0,05—0,20 Zr
АЛ 13	4,5-5,5	0,8—1,3	0,1—0,4	—	—	—
АЛ22	10,5-13,0	0,8-1,2	—	—	0,05—0,15	0,03—0,07 Be
АЛ23	6,0—7,0	—	—	—	0,05—0,15	0,05—0,20 Zr 0,02-0,1 Be
АЛ 28	4,8-6,3	—	0.4—1,0	—-	0.05—0,15	—
АЛЗ	0.35—0,6	4.5-5,5	0,6—0,9	1,5—3,0	—	-—
АЛ6	—	4,5—6,0	- --	2,0—3,0	—	—*
АЛ10В	0,2-0,5	4,5—6,5	—	6,0-8,0	—	—
АЛ15В	—	3,0—5,0	0,2—0,6	3,5-5,0	—	—
АЛ1	1,25-1,75 0,1—0,3	,—	—	3,75—4,0	—	1,75-2,25 Ni
АЛИ		6,0-8,0	—	—	—-	7,0—12,0 Zn
АЛ18	—	1,5-2,5	0,3—0,8	7,5—9,0	—	1,0—1,8 Fe
АЛ20	0,7—1,2	1,5—2,0	0,15—0,3	3,5—4,5	0,05—0,1	1,2—1,7 Fe
АЛ24	1,5—2,0	—	0,2—0.5	—	0,1—0,2	3,5-4,5 Zn
АЛ 26	0,4—0,7	20,0—22,0	0,4—0,8	1,5		0,1—0,4 Cr
				2,5	—	1,0—2,0 Ni
АЛЗО	0,8—1,3	11,0—13,0	—	0,8	—	0,8 Ni
				1,5	—	0,8—1,3 Ni
В зависимости от условий работы детали и химического состава
сплава выбирают тот или иной вид термической обработки. Классифи-
кация этих видов в зависимости от назначения детали приведена в
табл. 4.
Сплавы на основе системы А1—Si (силумины) (рис. 56) обладают
хорошими литейными и достаточно высокими механическими свойст-
вами: высокой жидкотекучестью (от 350 до 420 мм при 700° С), неболь-
шой литейной усадкой, малой склонностью к образованию горячих
трещин, хорошим отпечатком по полости формы, достаточно высокой
158
Рис. 56. Диаграмма состояния А[ — Si
(а) и микроструктуры силумина марки
АЛ2: до модифицирования (б) и после
модифицирования (в)
Таблица 4
Классификация видов термообработки детален из литейных
алюминиевых сплавоа
Вид термической обработки и его обозначение	Назн ачение
Искусственное старение без закалки Т1	Улучшение обрабатываемости резанием для по- вышения чистоты поверхности. Повышение механи- ческой прочности (до 20%) деталей из сплавов АЛЗ. АЛ5 и др.
Отжиг Т2	Снятие литейных и термических напряжений, а также наклепа. Повышение пластичности сплава
Закалка Т4	Повышение прочностных характеристик и корро- зийной стойкости деталей, работающих при темпе- ратурах до JOtrC
 Закалка-(-неполное искус- ственное старение Т5	Получение высокого предела прочность ври со- х ранении хорошей пластичности
Закалка -(-полное искус- ственное старение Тб	Получение максимальной прочности при некото- ром снижении пластичности
Зака лка-1-ст абилизирующий отпуск Т7	Получение достаточно высокой прочности и вы- соких стабильных свойств по структуре и объемным изменениям
Закалка -(- смягчающий отпуск Т8	Получение повышенной пластичности и стабиль- ных размеров при некотором снижении прочностных характеристик
прочностью и удовлетворительной пластичностью (от 2,5 до 8%). Меха-
нические свойства и режимы термической обработки некоторых спла-
вов этой группы приведены в табл. 5.
Таблица 5
Механические свойства и режимы термообработки (ТО)
некоторых силуминов
t и	Способ ЛфПЬЯ	Режим ТО 1		7- X о *		X X X *	5	Способ литья	| Режим ТО	kjc/mm*		НВ, кгс/мм-
			не менее						не менее		
АЛ9	3, о, в. к	-	16	2	50	В АЛБ	зм	Т5	30	9	100
	д	—	17	1	50	АЛ4М	км	Т5	30	3	90
	з.о.в.к.д	Т2	14	2	45		зм	Т5	30	2	90
	к	Т4	19	4	50	АЛ5	3,0,в, к	TI	16	0,5	65
	3,0,в	Т4	19	4	50		3,0,в	Т5	20	0,5	70
	к	Т5	21	2	60		3,0,в	Тб	' 23	0,5	70
	3,0,в	Т5	20	2	60		3,0,в, к	Т7	18	1	
	ЗМ.ОМ.ВМ	Тб	23	1	70						
	зм.ом.вм	Т7	20	2	60						
	зм,ом,вм	Т8	16	3	55						
Примечания: 1)3 — литье в землю; О — оболочковое лнтье; К — литье в
кокиль; Д—литье под давлением; В — литье по выплавляемым моделям; М — мо-
дифицированное состояние.
2) 1 кгс/мм2 10 МН/м2 (МПа).
Сплавы на основе системы AI—Mg обладают высокими
свойствами (о и S), хорошо обрабатываются резанием и имеют
высокую коррозийную стойкость. Высокая удельная прочность
(т. е. с учетом плотности) сплавов па основе А)—Mg поз-
воляет широко применять их в качестве конструкционных ма-
териалов, работающих в условиях повышенных статических и удар-
160
ных нагрузок в различных климатических условиях. Режимы термо-
обработки (ТО) и механические свойства некоторых сплавов этой груп-
пы представлены в табл. 6.
Таблица 6
Механические свойства сплавов на основе системы А1—Mg
Сплар	Способ литья*	Режим ТО	1 ’в' кге/мм!	% '4	НВ, кгс/ммг	Сплав	Способ литья*	К f т/м№		НВ, кгс/мм!
			не менее					не менее		
АЛ8	з.о.в, к	Т4	29	9	60	АЛ13	з.о.в, к	15	J	55
АЛ 27	3,0,к, д	Т4	32	12	75		д	17	0,5	55
AJ127-1	з.о.к, д	Т4	35	15	 75	АЛ29	д	21	3	60
АЛ23-1	3,0,к	Т4	25	10	60 1					
• См. примечания к табл. 5.
Промышленные сплавы на основе системы А1 •— Си характеризу-
ются высокими физико-механическими свойствами, повышенной жаро-
прочностью и хорошей обрабатываемостью резанием. Литейные свой-
ства и герметичность (т. е. непроницаемость для газов и жидкостей,
часто в условиях повышенных давлений) этих сплавов несколько хуже,
чем у силуминов (это обусловлено широким температурным интерва-
лом кристаллизации); коррозийная стойкость невысокая.
Классическими представителями сплавов на основе системы А|—Zn
являются сплавы АЛИ и АЛ24. Согласно диаграмме состояния этих
сплавов цинк имеет высокую растворимость в алюминии, образуя
твердый раствор а, крайне неустойчивый при повышенных темпера-
турах. Обладая низкими технологическими и физико-механическими
свойствами, двойные сплавы AI—Zn в настоящее время не применя-
ются: используются сплавы системы А1—Zn—-Si (сплав АЛ11) и
АЛ—Zn—Mg (АЛ24), склонные к естественному старению и обладаю-
щие высокими механическими свойствами. Общий недостаток цинко-
алюминиевых сплавов — их сравнительно высокая плотность (до
3 г/см8).
Сплавы на основе А1—Zn обладают хорошей обрабатываемостью
резанием и удовлетворительной герметичностью, а также хорошо
свариваются. Используют' эти сплавы для изготовления сложных
по конструкции средненагруженных деталей, работающих при темпе-
ратурах до 150° С.
161
§ 2.	Строительные алюминиевые сплавы
В строительной индустрии с каждым годом увеличивается при-
менение строительных алюминиевых сплавов в качестве основного
конструкционного материала в несущих конструкциях зданий и со-
оружений, а не только в ограждающих элементах, оконных и двер-
ных переплетах.
Основными достоинствами деформируемых и литейных сплавов
являются: значительная удельная прочность, высокая технологи-
чность (в холодном и в горячем состоянии), сохранение высоких
прочностных свойств при отрицательных температурах, повышенная
жаростойкость, значительная стойкость против коррозии.
Из сплавов марок Д1, Д6, Д16 изготовляют клепаные несущие
конструкции сооружений и зданий (арки, фермы, балки и др.),
а также различные элементы конструкций, совмещающих функции
ограждающих и несущих конструкций (кровельные панели, карка-
сы стеновых панелей, подвижные потолки и др.). Для силовых эле-
ментов конструкций рекомендуется применять дюралюминий Д6
и Д16, а для элементов конструкций средней прочности сплав Д1.
Сварку можно применять только в тех конструкциях, в которых
сварные швы мало нагружены. Ответственные конструкции не ре-
комендуется сваривать, так как в околошовной зоне в результате
нагрева прочность значительно понижается. Это не относится к
сплавам АВ, АД31, АДЗЗ,
§ 3.	Магний и его сплавы
Магний — металл II группы периодической системы серебристо-
белого цвета, порядковый номер 12, кристаллическая решетка Г12.
Температура плавления 651° С, кипения 1007° С, плотность 1740 кг/м3,
<JB ~ 180 МН/м®, 6=5%, НВ 300 МН/м®, мягкий, относитель-
но легко воспламеняется и горит ослепительным пламенем, выделяя
значительное количество тепла. Среди конструкционных материалов
он самый мягкий и легкий.
Магний выпускают двух марок Мг1 и Мг2. В машиностроении в
чистом виде магний не применяют, но сплавы на его основе широко
используют в различных отраслях промышленности как в литом,
так и в деформируемом состояниях. Основные легирующие элементы
магниевых сплавов: Al, Zn, Мп, Zr, Cl.
К вредным примесям относят К, Na, Ni, Fe, Си и газ Н2, снижаю-
щие коррозийные и механические свойства сплавов. Легирующие
элементы образуют с магнием твердые растворы-и соединения типа
Mg2Al3, MgAl, MgZn2, MgtAI3Zn3 и др- Алюминий (до 10%) и цинк
(до 50%) повышают механические свойства магниевых сплавов. Мар-
ганец в количестве от 1 до 2,5 % улучшает прочностные свойства, а при
малом содержании (0,15—0,5%) только антикоррозийные свойства.
Термическая обработка (включая старение) повышает прочностные
свойства сплавов на 25—35%.
Небольшие добавки к этим сплавам циркония, бериллия и некото-
162
рых других редкоземельных металлов (например, церия) способству-
ют получению мелкозернистой структуры, улучшают механические
свойства и пластичность, понижают окисляемость при нагреве.
Магниевые сплавы так же, как и алюминиевые, разделяются на
деформируемые и литейные. В настоящее время возрос ассортимент
деформируемых сплавов, применяемых в промышленнос-
ти главным образом в виде фасонных штамповок, профилей, труб и
пр. Обработку давлением магниевых сплавов ведут преимущественно
в горячем состоянии при температурах 225—400° С. Здесь находят
применение следующие марки: MAI, МА2, МАЗ, МА8, МА9, ВМ17,
ВМ65-1 (ГОСТ 14957—69).
Сплавы МА1 и МА8 содержат от 1,0 до 2,5% Мп; в состав МА8
входит также церий до 0,35%. Эти сплавы обладают следующими ме-
ханическими свойствами: о„ = 250 МН/м2, НВ 500 МН/м2, 6 =
= 18%, плотность 1760 кг/м3. Сплавы хорошо обрабатываются резанием,
отличаются высокой пластичностью в горячем состоянии, обладают
удовлетворительной коррозийной стойкостью, хорошо свариваются,
относительно экономичны.
Сплавы МА2, МАЗ, МА5 легированы алюминием (3,5—9,2% А1
с добавкой десятых долей процента цинка и марганца), обладают
следующими механическими свойствами: ов=250—320 .МНЛм8,
НВ 550--600МН/м2, 6 = 10—14%. Сплав ВМ65-1 (4,0—5,0% Zn,
0,3—0,5% Се) имеет повышенную прочность, хорошую пластичность
(ов — 340 МН/м2, б =9%, НВ 550—750 МН/м2) и плотность
~1700 кг м3. Для повышения прочностных свойств (до 400 МН/м2)
его подвергают термической обработке по режиму: нагрев под закал-
ку в течение 16 ч до температуры 410—425° С, отпуск при 175° С
также в течение 16 ч.
Сплавы МА9 и ВМ19 относят к жаропрочным, т. е. выдерживаю-
щим нагрузку при 350—400° С. Сплав МА9 имеет состав: 0,4—0,8%
А1, 1,0—1,8% Мп, 0,1—0,3% Се, а сплав ВМ19 — 2% Мп и 3% Се.
Литейные магниевые сплавы широко применяют
для изготовления фасонного литья, хотя по сравнению с алюми-
ниевыми сплавами обладают значительно худшими литейными
свойствами. Они имеют маркировку, подобную алюминиевым
сплавам, и могут быть разделены на пять основных групп:
на основе системы Mg—Si (МЛ1); Mg—Мп (МЛ2); Mg—Al —Zn
(МЛЗ, МЛ4, МЛ5, МЛ6, МЛ7-1); сплавы,содержащие цирконий и редко-
земельные металлы (МЛ9, МЛ 10, МЛ11, МЛ 12, ВМЛЗ); сплавы, со-
держащие торий и другие элементы (МЛ 14, ВМЛ1, ВМЛЗ).
Сплавы группы I (МЛ1) содержат 1,0—1,5% Si, обладают сравни-
тельно низкими механическими свойствами (ов = ПО МН/м2, НВ
44 МН/м2 и б = 3%), малой удельной плотностью; их применяют
главным образом для отливки деталей, от которых требуется герме-
тичность при повышенных давлениях.
Сплавы группы II (МЛ2) содержат 1—2% Мп. Примерные меха-
нические свойства: ов= 100 МН/м2, НВ 350 МН/м2,6 — 4%. Сплавы
обладают повышенной коррозийной стойкостью, красноломкостью и
пониженными технологическими свойствами.
163
Сплавы первых двух групп термической обработкой не упроч-
няют.
Сплавы группы, III (МЛЗ) в отличие от первых двух обладают луч-
шими механическими свойствами как в литом состоянии, так и после
термической обработки. Типичные представители этой группы сплавы
МЛЗ, МЛ4 и МЛ5. Упрочняющими фазами при термообработке яв-
ляются соединения типа: MgI7AliZ и Mg3Al?Zn3. Из сплава МЛЗ
(2,5—3,5% А1, 0,5—1,5% Zn и 0,15—0,5% Мп) отливают детали по-
вышенной герметичности (корпуса насосов, части арматуры и Др.).
Механические свойства сплава МЛЗ: ов =160 МН/м , НВ 400
МН/м8; 6 = 6%.
Сплав группы IV (МЛ4) (5—7% А1, 2—3% Zn, 0,15—0,5% Мп)
после гомогенизации с закалкой на воздухе и последующем старений
имеет повышенные механические свойства: ов = 230 МН/м2,
НВ 600 МН/м2 иб - 2—5%.
Сплавы группы IV применяют для отливки деталей, работающих
при повышенной температуре (250—260° С).
Сплав группы V (МЛ5) обладает аналогичными механическими свой-
ствами. Из этого сплава отливают высоконагруженные детали двига-
телей и приборов, корпуса пневматических и ручных инструментов
И т. д.
Сплавы V группы относят к жаропрочным. Литые детали могут ра-
ботать при температурах 350—400D С. Сплавы этой группы подверга-
ют закалке от температуры 410° С с последующим искусственным ста-
рением при 180° С в течение 12 ч. Такая термическая обработка по-
вышает ов до 260 МН/м2, НВ до 800 МН/м2 и 6 до 9%.
Следует отметить, что литейные магниевые сплавы по удельной
прочности превосходят высокопрочные алюминиевые сплавы и неко-
торые конструкционные стали.
§ 4.	Медь и ее сплавы
Медь относится к тяжелым цветным металлам, ее плотность
8,94 кг/м®, температура плавления 1083° С, кипения 2360° С, крис-
таллическая решетка — гранецентрированный куб. Механические
свойства чистой меди после отжига: <тв = 220-—240 МН/м2, НВ
45 МН/м3, б =50%, ф = 75%. В чистом виде медь применяют для
электротехнических целей (провода, шины, кабель). Согласно ГОСТ
854—66 имеется 10 марок технической меди (М00, МО, Ml, М1Р,
М2, М2Р, М3, МЗР, М4).
Основные примеси меди Bi, As, Pb, Sb, Fe, Ni, S, O2; суммарное
количество их в марке М00 допускается 0,01%, а в марке М4 — 1 %.
Более 50% чистой меди потребляет электротехническая промышлен-
ность и энергетика. Сплавы меди сцинком — латуни и сплавы меди
с другими элементами — бронзы широко применяют в технике в ка-
честве конструкционных материалов.
Применяют латуни с содержанием цинка до 45%; максимальной
прочностью обладают латуни, содержащие 42—45% Zn, а наибольшей
164
1100
1000
300
800
700
600
500
<00
300
200
6, % <5S
70 700
60
50
<0
30
20
10
пластичностью — латуни с 30—32% Zn. Сплавы, содержащие до 10%
цинка, называют томпаками, а от 10 до 20% Zn— полутомпаками.
В технике применяют деформируемые и литейные латуни.
С увеличением содержания цинка (рис. 57) прочность и пластич-
ность латуни сначала повышаются, а затем уменьшаются. При содер-
жании до 39% Zn латунь состоит из
одной a-фазы. С увеличением содержа-
ния цинка до 46% возникает вторая
фаза р, представляющая твердый раст-
вор CuZn. Эта фаза является твердой
и хрупкой структурной составляющей.
Широкое применение получили
а-латуни, содержащие до 39% Zn и
обладающие высокой прочностью. Эти
латуни можно обрабатывать давлением
в холодном состоянии. Пластичность
нагартованного сплава восстанавли-
вают рекристаллизационным отжигом
при температуре 600—700°С с последу-
ющим охлаждением на воздухе. Широ-
ко применяют также латуни, содержа-
щие от 39 до 45% Zn и имеющие струк-
туру а + f твердые растворы. К лату-
ням относят также томпак, содержащий
90% и более меди (остальное цинк), и
много других нетолько двухкомпонент-
ных, но и более сложных сплавов, со-
держащих кроме цинка и меди А1, РЬ, Мп,
Sn и другие элементы. Эти добавки
повышают прочность, а также придают
латуням специальные свойства. Алюми-
ний и никель, присутствующие в сплаве
одновременно, после термической обра-
ботки повышают прочности и твер-
дость латуней; олово, никель и мар-
ганец увеличивают прочность и корро-
зийную стойкость латуней, свинец улуч-
шает антифрикционные свойства и
обрабатываемость латуней резанием,
но одновременно, при повышенных температурах, сообщает однофаз-
ным латуням хрупкость.
В СССР применяют следующий принцип маркировки латуней: бук-
ва Л означает латунь, следующие буквы означают легирующие эле-
менты, цифры показывают содержание меди и легирующих элементов.
Согласно ГОСТ 15527—70 существует семь марок обыкновенных а-
латуней (Л99, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л62). Специальные латуни,
например ЛА 59—32, содержат 59% Си, 2—3% Ni, 2% Al, остальное
Zn. Согласно этому же ГОСТу существует 18 марок специальных ла-
туней.
0 10 20 30 <0 50 601ъ,%
Рис. 57. Диаграмма состоя-
ния системы Си — Zn в со-
четании с графиком измене-
ния механических свойств
сплавов и микроструктуры
латуней:
& — относительное удлинение;
пв — предел прочности
165
Бронзы. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марган-
цем, свинцом, бериллием называют бронзами. Раньше к бронзам от-
носили сплавы только двойной системы медь — олово. С течением
времени разработаны новые сплавы на медной основе, в которых олово
частично или полностью заменено другими элементами. Однако назва-
ние сплавов осталось прежним, так как они но многим физико-меха-
ническим свойствам и цвету не отличаются от медно-оловянистых
сплавов. В зависимости от введенного элемента бронзы называют
оловянистыми, алюминиевыми, кремнистыми, марганцовистыми и т. д.
На рис. 58 представлена левая часть диаграммы состояния сис-
темы Си—Sn, охватывающая бронзы, применяемые в промышленнос-
ти. Практический интерес представляют сплавы, содержащие до 14%
Sn. Они обладают высокими механическими и антифрикционными
свойствами. Сплавы, содержащие до 14% Sn, при медленном охлаж-
дении однофазны, состоят из однородного твердого раствора олова
в меди (a-фаза). При содержании более 14% 5п(до22%) бронза ста-
новится двухфазной (a -j- p-фаза). Оловянистые бронзы разделяют
на две группы: обрабатываемые давлением (до 6% Sn) и литейные (до
15% Sn). Бронзы, подвергаемые обработке давлением, идут на при-
готовление прутков, лент, полос, проволоки, трубок и т. д. Литейные
оловянистые бронзы применяют для получения различных фасонных
литых деталей. Дефицитность и высокая стоимость олова — основной
недостаток оловянистых бронз.
Безоловянистые, или специальные, бронзы в ряде случаев имеют
более высокие механические и физические свойства.
Бронзы маркируют следующим образом: буквы Бр означают брон-
зу, следующие буквы означают легирующий элемент (О — олово,
Ц — цинк, Ф— фосфор, Б — бериллий, Н — никель, А — алюми-
ний, Ж — железо, К — кремний, Мц — марганец, С — свинец), циф-
ры показывают содержание элементов в сплаве. Так, бронза марки
БрОФ-10-I имеет следующий химический состав: 10% Sn, 1,02% Р,
остальное медь.
Алюминиевые бронзы, содержащие от 4 до 11,5% А1, обладают вы-
сокими механическими свойствами и высокой коррозийной устойчи-
востью, значительно превосходящей устойчивость оловянистой брон-
зы и латуни.
Алюминиевые бронзы БрА5 и БрАб обладают хорошими пласти-
ческими свойствами; из них изготовляют прутки, проволоку, ленты
и листы. Они также имеют хорошие литейные свойства. Буква «Л»
в конце марки показывает, что бронза литейная.
Алюминиевые бронзы упрочняют термической обработкой, состоя-
щей из закалки с температуры 850—900° С и последующего отпуска
при температуре 400—600° С.
Алюминиевожелезомарганцевые бронзы (БрАЖМц 10-3-1,5 и БрАМц
9-2Л) применяют в качестве литейных и деформируемых сплавов.
Алюминиевые бронзы с добавкой железа и никеля (БрАЖН
10-4-4, БрАЖН 10-4-4Л и БрАЖН 11-6-6) являются сложными
сплавами на медной основе, которые пригодны для обработки дав-
лением (ковки и штамповки) и для фасонного литья.
166
Кремнистые бронзы, содержащие 0,6—0,8% Sn и небольшое ко-
личество Ni и Мп, удачно сочетают механические, антифрикционные
и антикоррозийные свойства. Они успешно поддаются обработке дав-
лением в горячем состоянии и литью (БрКМц 3-1, БрКН 1-3).
Свинцовистые бронзы (БрСЗО, БрСН 60-2,5) содержат 27—63% РЬ.
Они обладают весьма высокими антифрикционными свойствами и
применяются для изготовления деталей, работающих в условиях
Рис. 58. Диаграмма состояния системы Си — Sn (а), механические свой-
ства литой бронзы в зависимости от содержания олова (б) и микро-
структуры бронзы БрОЦ 10-2 (л):
1 — после литья {дендриты твердого раствора}; 2— после ковки и диффузионного от-
жига (однородные зерна твердого раствора)
167
трения и скольжения, а также для заливки стальных вкладышей
высоконагружепных подшипников.
Бериллиевые бронзы (1,6—2,2 Be) отличаются высокой прочностью
и коррозийной устойчивостью, хорошими пластическими и антифрик-
ционными свойствами. Одновременно они обладают высокой электро-
и теплопроводностью. Растворимость бериллия в меди при 860° С
составляет 2,8%, а с понижением температуры до комнатной умень-
шается до 0,2%. Это позволяет проводить термическую обработку,
состоящую из закалки с 800° С и искусственного старения в течение
9 ч при температуре 250—350° С. Такая обработка повышает проч-
ность и твердость. Бериллиевая бронза хорошо поддается горячей
обработке давлением, сварке, резанию. Ее применяют для изготовле-
ния мембран, пружин, электроконтактов, часовых механизмов и дру-
гих пружинящих деталей.
§ 5.	Титан и его сплавы
Титан — самый «молодой» из крупных конструкционных металлов,
хотя был открыт в 1795 г. Содержание его в земной коре 0,6%. Ти-
тан — переходный металл IV группы, порядковый номер 22, плотность
4510 кг/м3. Температура плавления 1800° С, кипения 3400° С; твер-
дость НВ 850 МН/м2 и оо — 320 МН/м2.
Титан существует в двух модификациях: до 882° С в виде а-титана
с гексагональной плотно упакованной кристаллической решеткой и
при температуре выше 882° С (j-титан с кубической объемно-центри-
рованной решеткой.
Чистый титан пластичен, мягок; технический -— хрупкий и твер-
дый. Механические свойства титана резко изменяются в зависимости
от содержания примесей (N2, Н2, О2, С). В промышленности применя-
ют титан двух марок ВТ 1-1 и ВТ 1-2 (табл. 7).
Таблица 7
Состав и механические свойства технического титана
(ГОСТ 9855—61)
Марка титана	Примеси* %	Мех а нические свойст в а		
		5в' МН/м*	4. %	НВ, МН/м9
ВТ1-1 ВТ 1-2	0,1%С; 0,15%О.г, 0,04%N2; 0,3%Н2 0,15%Si; 0,015%Н2	450—600 550—750	25-30 20—25	500 450
Азот и кислород резко снижают пластичность титана; водород
вызывает повышенную чувствительность к надрезу. Такое явление
называют водородной хрупкостью. При содержании в титане более
0,15% С ухудшается его ковкость и свариваемость и затрудняется
обработка резанием. Образующиеся на поверхности титана оксидные
пленки (TiO2, TiO3 и др.) обладают высокой коррозийной стойкостью
в пресной и морской воде, в атмосфере и различных кислотах.
168
При нагреве до температуры 400° С титан почти не изменяет свои
механические свойства, при дальнейшем нагреве эти свойства посте-
пенно ухудшаются, но особенно после 540° С (из-за энергичного по-
глощения кислорода титан становится хрупким). С увеличением сте-
пени холодной деформации прочностные свойства титана улучшаются,
а пластичность снижается. Вследствие недостаточной прочности чис-
тый титан имеет ограниченное применение. Сплавы титана представ-
ляют значительный интерес.
Сплавы на титановой основе применяют широко. Известно 30
марок титана. Наиболее важные легирующие элементы Al, Cr, Fe, Мп,
Mo, Sn, V. Сплавы титана разделяются на пять групп; 1) сваривае-
мые конструкционные; 2) высокопрочные; 3) жаропрочные; 4) для
фасонного литья; 5) сплавы со специальными свойствами.
Титановые сплавы подразделяются на три структурные группы:
с а-, (а тЙ- и {3-структурой.
Сплавы с a-структурой имеют при комнатной температуре одно-
фазную структуру a-твердого раствора, термически обрабатываются,
малопластичны.
Двухфазные сплавы с (а + ^-структурой имеют при комнатной
температуре структуру а- и |3-твердых растворов, термически обраба-
тываются, пластичны, обладают высокими механическими свойствами.
Сплавы с ^-структурой сохраняют структуру fl твердого раство-
ра, не подвергаются термической обработке, пластичны, малопрочны
и не находят сколько-нибудь широкого применения в технике.
Титановые сплавы обладают высокой удельной прочностью, харак-
теризуемой отношением предела прочности к плотности —
=20—28. В настоящее время имеется несколько марок высокопрочных
титановых сплавов; ВТ6, ВТ14, ВТЗ-1, ВТ15 и ВТ16.
Обычно промышленные титановые сплавы содержат несколько ле-
гирующих элементов, но обязательным компонентом является алюми-
ний, повышающий жаропрочность и улучшающий свариваемость.
Таблица 8
Химический состав и механические свойства титановых сплавов
(ГОСТ 5632—68)
Марка	Состав, %		%		8. %
	А1	другие элементы	МН/мг	кгс/мм*	
ВТЗ	4—6,2	2Сг	932—1128	93-112	10—16
ВТЗ-1	4—6,2	1,5—2,5Сг	932—1177	93—117	10—16
		1—2,8Мо			
ВТ4	4—5	1— 2Мп	785-883	78-88	15-22
ВТ5	4—5,6	—	785—972	79—97	12—15
ВТ6	5-6,5	3,5—4,5V	833-980	83—98	8—13
ВТ8	5,8—6,8	2,8—3,8Мо	1030—1155	103—116	9—15
Примечание: Высокой прочностью обладают однофазные п-сплавы ТЗ,
Т4, Тб, T9, Т10. Все сплавы, кроме ВТ4 и ВТ5, имеют двухфазную структуру.
169
Для повышения прочностных свойств целесообразно некоторые мар-
ки титановых сплавов термически обрабатывать; нагревать до 700—
950е С, закаливать в воде и искусственно старить при 480—550° С. Со-
четание высоких прочностных свойств при малой плотности, высокой
коррозийной стойкости и жаропрочности позволили применять титан
и его сплавы в качестве конструкционного материала в реактивной тех-
нике, в космических кораблях, самолетостроении.
Данные о составе и свойствах сплавов титана приведены с табл. 8.
§ 6.	Антифрикционные материалы
Си, 5 л	ТВердый
Тр'чразЫ) расгпВер а
Твердый Сиг5п ЗЙтпатики
potmSepp	а+р
Рис. 59. Антифрикционные
сплавы:
о. — схема работы подшипника;
б— баббит марки Б83; в — свин-
цовистая бронза марки БС
Антифрикционные материалы служат
для изготовления деталей, работающих в
условиях трения. Из них изготавливают
огромное количество вкладышей подшип-
ников, вследствие чего их часто называют
подшипниковыми сплавами. Подшипнико-
вые сплавы должны обладать низким
коэффициентом трения, малым износом,
хорошей прирабатываемостью, способ-
ностью выдерживать большие удельные
нагрузки, обеспечивать хороший подвод
смазки 3 к валу 2 и сопротивление
коррозии. Эти сплавы должны быть мягче
шейки вала 2, так как в противном случае
они будут его царапать и изнашивать
(рис. 59,п).
Кроме того, эти сплавы должны обла-
дать хорошими технологическими свойст-
вами: литейными для удовлетворитель-
ного заполнения втулки подшипника 1,
обрабатываемостью на металлорежущих
станках и др. Основой всякого подшип-
никового сплава является мягкий пластич-
ный материал 5, внутри которого равно-
мерно распределены твердые частицы 4,
служащие опорой для вала; мягкая исти-
рающаяся основа способствует образова-
нию микроканалов, по которым циркули-
рует смазка. Такая структура обеспечивает
при эксплуатации хорошую приработку,
так как твердые структурные составляю-
щие, вдавливаются в мягкую основу, спо-
собствуя равномерному распределению
давления вала.
Подшипниковые матери-
а л ы можно разделить на следующие
группы: баббиты, бронзы, антифрикцион-
170
ные чугуны и неметаллические антифрикционные материалы.
Баббитами называют сплавы на основе Sn. Однако из-за дефици-
тности олова его часто заменяют другими элементами — Sb,
Pb, Са, Zn и А1. Баббиты предназначены для заливки подшипников
при умеренных удельных нагрузках на вкладыши. Баббиты
обозначают буквой Б, а цифра после буквы показывает среднее со-
держание олова в процентах. Например, марки Б89, Б83, Б16, Б6
показывают, что в них входят89, 83, 16 и 6 % олова.
Лучшими подшипниковыми сплавами являются баббиты марок
Б83 (10—12% Sb, 5,5—6,5% Си, остальное Sn) и Б89 (7,25—
8,25% Sb, 2,5—3,5% Си, остальное Sn). Они применяются для за-
ливки подшипников особо нагруженных машин, обеспечивают низкий
коэффициент трения, начинают оплавляться при 240—250° С; тем-
пература плавления 342—380е С (рис. 59,6).
Новые стандартные сплавы БН (9—11% Sn, 13—15% Sb, 1,5—2%
Си, 0,75—1,25% Ni, остальное Pb), БТ (9—11% Sn, 14—16% Sb,
0,7—1,1% Си, 1,25—1,75% Cd, 0,05—0,2% Ti, остальное Pb) н другие
во мнэгих случаях заменяют в подшипниках трения высокооловянис-
тый баббит.
В качестве стандартного баббита применяют кальциевые баббиты ма-
рок БКА и БК2, содержащие (кроме свинца) 0,85—1,15% Са и 0,6—
0,9 % Na.
Свинцовистая бронза (БрСЗО), содержащая 27—33% РЬ (остальное
Си), применяется для вкладышей подшипников при больших скоростях
и повышенных удельных давлениях. В этих бронзах основой является
сравнительно твердая медь с включениями мягкого свинца (рис. 59,е).
В качестве подшипниковых сплавов успешно применяют алюминие-
вые баббиты марок АСС6-5 (5—6% Sb, 4—5% Pb, 0,5—0,7% Mg),
ACM (3,5—5,0% Sb, 0,5—0,7% Mg) и AH2.5 (2,7—3,4% Ni). В этих
сплавах мягкой основой является А1, а твердыми включениями — хи-
мические соединения (AlSb, Al3Ni), находящиеся в эвтектике с твердым
раствором.
Широкое применение также получили цинковые баббиты (ЦАМ 10-5,
ЦАМ9-15), содержащие 8—12% Ai, 1,5—5,5% Си, 0,03—0,06% Mg,
остальное цинк.
Антифрикционные чугуны используют в подшип-
никах трения, работающих при больших удельных давлениях и малых
скоростях вращения вала. Обычно применяют серые, высокопрочные и
ковкие чугуны. Из серых чугунов хорошими антифрикционными свой-
ствами обладают легированные чугуны марок АСЧ-1, АСЧ-2, АСЧ-3,
содержащие 0,2—0,4% хрома и никеля, 0,3—0,7% меди; из высоко-
прочных — марки АВЧ-1, АВЧ-2 и из перлитного и перлитно-феррит-
ного ковкого чугуна — марки АК.Г-1 и АКГ-2.
В последнее время в машиностроении начали широко внедрять н е-
металлические антифрикционные мат е р и а л ы.
К ним относятся текстолит, пластифицированная древесина, пластмас-
сы и др.
Подшипники и вкладыши изготавливают также из металлокера-
мических материалов, спекая порошки как черных, так и цветных
.171
металлов с добавкой графита. Получаются пористые антифрикцион-
ные сплавы. Пористость таких сплавов составляет 10—30%. Изготав-
ливают железографитовые, железомедные, железомеднографитовые,
алюминиево пористые подшипники. Поры заполняют минеральной
смазкой путем пропитки. Подшипник, пропитанный маслом, во время
работы в результате трения разогревается и смазка выступает из пор,
уменьшая трение. Такие подшипники называют самосмазывающимися.
Методом порошковой металлургии готовят также компактные (беспо-
ристые) металлокерамические антифрикционные сплавы.
Глава XVI
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
§ 1.	Общие сведения
Коррозия — страшный бич современной промышленности, стро-
ительства и транспорта. По неполным данным 30% ежегодно произво-
димого металла идет на восстановление потерь от коррозии, из них 10%
теряется безвозвратно. Это значит, что на каждые 100 млн. т 10 млн. т
в год расходуется на компенсацию безвозвратных потерь металла от
коррозии.
Поверхность почти всех металлов и сплавов во время эксплуатации
деталей машин, механизмов, строительных конструкций находится в
контакте с внешней средой (атмосферой, речной и морской водой, поч-
вой, растворами кислот и щелочей, жидкостями органического проис-
хождения, отходящими газами и т. д.) и постепенно разрушается.
Этот процесс называют коррозией. Коррозия начинается с поверхности
металла и распространяется вглубь.
Коррозионное разрушение металлов и сплавов в основном зависит
от следующих трех факторов: а) химической природы металла или сос-
тава металлического сплава и их структуры; б) химической природы
окружающей среды и процентного содержания в ней агрессивных ве-
ществ (кислорода, влаги, кислот, щелочей и т. д.) и в) температуры ок-
ружающей среды.
В зависимости от механизма процесса коррозия может быть хими-
ческая и электрохимическая.
Наиболее распространен весовой метод измерения коррозии металла,
основанный на определении изменения массы образцов после взаимо-
действия с агрессивной средой. Кроме того, существуют объемный,
электрохимический, электрические, магнитометрические, манометри-
ческие и другие методы.
Средняя толщина проко^роднровавшего слоя определяется по фор-
муле Томашева:
П =	8760	,д_
std  1000	’	1 '
где П — скорость коррозии, проницаемость, мм/год; т0 — вес об-
разца до коррозии, г; тЛ — вес образца после коррозии, г; s —
172
Таблица £
Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов
Группа стойкости	Скирость коррозии, мм/год	Балл
I Совершенно стойкие	Менсе 0,001	1
II Весьма стойкие	От 0,001 до 0,005 » 0,005 » 0,01	2 3
III стойкие	От 0,01 до 0,05 » 0,05 » 0,1	4 5
IV Понижениостойкие	» 0,1	» 0,5 » 0,5	»	1,0	6 7
V Малостойкие	»	1,0	»	5,0 » 5,0	» 10,0	8 9
VI Нестойкие	Свыше 10,0	10
поверхность образца , м2; t — продолжительность коррозии, ч; d —-
масса металла, г; 8760 — число часов в году.
Согласно действующей шкале коррозионной стойкости все металлы
разделены на шесть групп и 10 баллов (табл. 9).
§ 2.	Химическая коррозия
Поверхностное разрушение металла под действием газов при высо-
кой температуре или жидкостей (неэлектролитов) называется химичес-
кой коррозией.
Химическая коррозия протекает по законам химической кинетики;
в чистом виде она происходит, если на поверхности металла конденси-
руется вода. Примером химической коррозии является процесс окисле-
ния при высоких температурах металлической арматуры печей, клапа-
нов двигателей внутреннего сгорания, лопаток газовых турбин, эле-
ментов электронагревателей и других деталей, а также окисление ме-
талла в жидкостях органического происхождения (спирте, бензине,
нефти, мазуте и т. ш).
В процессе химического разрушения на поверхности металла обра-
зуется пленка из продуктов коррозии, обычно окислов. В некоторых
случаях эта пленка предохраняет лежащий под ней металл от дальней-
шей коррозии, т. е. делает его более пассивным по отношению к окру-
жающей среде. Необходимым условием защиты металла от последую-
щей химической коррозии является образование на поверхности ме-
талла сплошной и плотной пленки, которая защищает
(пассивирует) металл от дальнейшего разрушения. Это возможно, если
объем получающегося в ходе коррозии (на поверхности металла) окис-
ла V0K больше объема окислившегося металла VilCT.
173
Сравнительно плотные окисные пленки образуются на поверхности
алюминия, свинца, олова, никеля и хрома. Рыхлые окисные
пленки возникают в ходе окисления бария, кальция и магния.
При окислении железа в сухом воздухе или в атмосфере сухого кисло-
рода образуется также достаточно плотная пленка, но она по мере рос-
та растрескивается и отслаивается от металла.
На стальных изделиях при температурах 200—300° С появляется
видимая пленка окислов, которая растет с повышением температуры.
До 600° С скорость газовой коррозии углеродистой стали очень мала,
но при дальнейшем повышении температуры скорость окисления ме-
талла резко повышается и защитное действие пленки прекращается.
Легированные стали можно нагревать без заметного окисления до бо-
лее высоких температур.
Алюминий при высоких температурах покрывается тонкой плотной
пленкой, устойчивой до температуры плавления. Эти свойства алюми-
ния используют и добавляют его в другие сплавы, что повышает корро-
зионную стойкость. Медь окисляется на воздухе и образует пленку,
которая предохраняет ее от дальнейшего окисления. Введение алюми-
ния и бериллия увеличивает сопротивляемость меди окислению, т. е.
ее жаростойкость.
Сплавы на основе никеля хорошо сопротивляются газовой корро-
зии и обладают высокой жаропрочностью.
§ 3.	Электрохимическая коррозия
Электрохимическая коррозия металлических изделий происхо-
дит в различных водных растворах, проводящих электрический ток.
Это наиболее распространенный тип коррозии. Она совершается в ат-
мосферных условиях, на море, в земле, в грунтовых водах, в раство-
рах различных кислот и щелочей. Значительная часть строительных
металлических конструкций — каркасы и крыши зданий, фермы мос-
тов, соприкасающихся с влажным воздухом, подвержены электрохи-
мической коррозии. В зависимости от загрязненности воздуха сернис-
тыми и углекислыми газами эта коррозия протекает с различной ско-
ростью. Строительные конструкции, находящиеся в почве, различные
магистральные трубопроводы также подвержены коррозии.
Сущность процесса электрохимической коррозии
заключается в том, что атомы, находящиеся в узлах кристаллической
решетки металла, при контакте с раствором электролита переходят в
раствор в форме ионов, оставляя эквивалентное количество электро-
нов в металле. Переход атомов металла в ионы и растворение их в жид-
ком электролите определяется величиной нормального электродного
потенциала. Он характеризует то напряжение электрического тока,
которое надо приложить к границе раздела твердого металла с жидким
электролитом, чтобы воспрепятствовать переходу иона металла в раст-
вор. Чем отрицательнее нормальный электродный потенциал, тем бо-
лее резко выражено стремление металла к растворению в электроли-
тах. Так, свинец растворяется значительно медленнее, чем железо.
174
Ниже представлены нормальные электродные потенциалы (В) не-
которых металлов.
Медь
Висмут
Сурьма
Олово
Свинец
Никель
Кобальт
+0,33
+0,28
+0,22
— 0,1
—0,12
—0,23
-0,29
Кадмий..............—0,4
Железо .............—0,44
Хром................—0,56
Цинк................—0,70
Марганец............—1,1
Алюминий ...........—1,34
Магний..............—1,53
Следует отметить также, что при погружении в какой-либо электро-
лит двух взаимно контактирующих металлов они образуют гальвани-
ческую пару с определенной разностью потенциалов. В этом случае в
рассматриваемой системе самопроизвольно разовьется процесс раство-
рения металла, обладающего более отрицательным электродным по-
тенциалом. Этот металл станет анодом и будет посылать свои ионы в
раствор электролита, а другой •— катодом и в присутствии первого ме-
талла в электролите растворяться не будет. Если такую контактную
пару погрузить в электролит, то цинк будет растворяться быстрее же-
леза (электродный потенциал цинка более отрицателен).
Гальванические пары при коррозии образуются не только между
отдельными участками контактирующих металлов с разными электрод-
ными потенциалами, но также и между микроскопически малыми крис-
талликами одного и того же сплава, если они различаются по хими-
ческому составу и физическим свойствам.
На поверхности неоднородного по строению сплава при погружении
в электролит образуются микроскопически малые анодные и катодные
участки, между которыми возникают микроскопические и даже суб-
микроскопические гальванические процессы, приводящие сплав к
коррозионному разрушению. В ряде случаев коррозионное разрушение
металлов может проникать очень глубоко и идти по границам раздела
зерен (межкристаллическая коррозия).
Так, высокохромистые стали подвержены межкристаллической
коррозии. Фазы, обогащенные хромом, имеют положительный потен-
циал, а фазы, обедненные хромом (границы зерен) — отрицательный.
Между этими фазами в электролите образуются микрогальванические
пары, и начинается интенсивное окисление (разрушение) фаз, обладаю-
щих меньшим потенциалом.
Такая коррозия очень опасна, так как по внешнему виду ее обна-
ружить очень трудно. Сталь постепенно теряет металлический блеск;
резко снижаются ее механические свойства.
Таким образом, электрохимическая коррозия — это разрушение
сплава, сопровождающееся появлением электрического тока в резуль-
тате работы множества микрогальванических элементов на корроди-
рующей поверхности металла. Многие детали в условиях эксплуатации
подвергаются одновременно разрушающему воздействию коррозии и
механической нагрузки. Растягивающие напряжения увеличивают
скорость коррозии вследствие разрушения защитной пленки и образо-
вания трещин.
175
В большинстве случаев такое разрушение происходит между крис-
таллами металла и вызвано одновременным действием коррозии и рас-
тягивающих напряжений. Такое разрушение называют коррозионным
раст рескиванием.
Коррозионной усталостью называют напряжение, вызывающее
разрушение металла одновременным воздействием знакопеременных
нагрузок и коррозионной среды. Многие детали (например, подшипни-
ки) подвержены коррозионному износу, заключающемуся в одновре-
менном разрушении детали от коррозии и сил трения.
Одним из способов предотвращения коррозии является ликвидация
условий, ее вызывающих: неоднородность металлов, неоднородность
внутренних напряжений, неравномерность освещенности и теплового
нагрева. Однако в ряде случаев устранить эти причины не удается из-
за специфики эксплуатации какой-либо конструкции. Именно поэтому
непрерывно появляются новые дорогостоящие сплавы, обладающие
специальными свойствами.
Кроме того, для борьбы с коррозией прибегают к специальным ме-
тодам защиты металлов: электрохимическая защита (анодная или ка-
тодная), обработка коррозионной среды и защитные покрытия.
§ 4.	Виды коррозионных разрушений
Существуют различные виды коррозионных разрушений, характер
которых и метод защиты рассмотрены ниже (рис. 60).
Равномерная (общая, или сплошная) коррозия (металл корро-
дирует с одинаковой скоростью по всей поверхности) наблюдается в
сплавах, не образующих защитных пленок (рис. 60,а).
Неравномерная коррозия (также схлошная) протекает с неоди-
наковой скоростью на различных участках поверхности многофазного
Рис. 60. Виды коррозионных разрушений:
а—'Сплошная равномерная коррозия; б — неравномерная сплошная коррозия; в — кор-
розия пятнами; г — коррозия язвами; д — коррозия точками; е — подповерхностная
коррозия; jvc — структурно-избирательная коррозия; э — межкристаллитная коррозия;
и —транскрнсталлитная коррозия
476
сплава в зависимости от рода структурных составляющих и наличия
дефектов на поверхности детали (рис. 60,6, в, г).
Местная, или локальная, коррозия происходит лить на отдель-
ных участках поверхности металла и, как правило, начинается в мес-
тах, где нарушается целостность покрытия. Этот вид коррозии имеет
следующие разновидности:
1)	коррозия пятнами, заключающаяся в образовании местных пов-
реждений незначительной глубины (рис. 60,е);
2)	точечная коррозия, при которой разрушение наблюдается на
очень малой поверхности в виде отдельных точек и имеет в отдельных
случаях сквозной характер (рис. 60,6);
3)	межкристаллитная коррозия — один из самых опасных видов,
так как разрушение протекает по границам отдельных зерен металла и
приводит к резкому ухудшению механических свойств (рис. 60,з);
4)	коррозия язвами — начинается на поверхности и распространя-
ется под поверхностью, вызывая расслоение и вспучивание металла;
5)	избирательная коррозия разделяется на два вида: на компо-
нентно-избирательную и структурноизбирательную. Ярким примером
структурно-избирательного типа является растворение феррита; ком-
понентно-избирательная коррозия наблюдается у латуней.
Возможны случаи одновременного действия на металл нескольких
видов коррозии.
§ 5.	Методы защиты от коррозии
Современные методы предохранения от коррозии металлов и спла-
вов весьма разнообразны, так как причин, вызывающих ее, также очень
много. Существующие методы можно разделить на следующие: леги-
рование; применение многослойных материалов; неметаллические по-
крытия; протекторная защита; обработка коррозионной среды; рацио-
нальное конструирование и эксплуатация металлических сооружений
и деталей.
Легирование металлов. Введение в сталь некоторых легирующих
элементов повышает ее антикоррозионные свойства. Одни легирующие
элементы образуют на поверхности стали устойчивые окисные пленки,
которые защищают металл от коррозии; другие создают с железом твер-
дые растворы — аустенитную структуру, обладающую высокой стой-
костью и практически не корродирующую в данной среде.
Стали, содержащие 12% Сг, с мартенситно-ферритной структурой
практически не корродируют в атмосфере, в водных растворах солей,
в органических кислотах и других слабоагрессивных средах при ком-
натной температуре.
Стали, содержащие 12—14% Сг, относятся к мартенситно-феррит-
ному и мартенситному классу. При более высоком содержании хрома
(17—28%) стали относятся к ферритному классу. Хромоникелевые ста-
ли (Х18Н9) имеют аустенитную структуру. Сталь Х18Н10Т, а также
легированные стали аустенитного класса, содержащие хром, никель,
титан, относятся к нержавеющим сталям и хорошо сопротивляются
коррозии.
7—545
177
Двухслойные и многослойные металлы, состоящие из двух или не-
скольких различных металлов (сплавов), прочно соединенных между
собой по всей плоскости соприкосновения, и представляющие моно-
литное целое. Машины и агрегаты, работающие в условиях повышен-
ной коррозии, влажности, загрязненности атмосферы парами кислот,
пылью и другими вредными веществами, особенно нуждаются в биме-
таллах, у которых основой являются малоуглеродистые или низколе-
гированные стали/ а в качестве плакирующего слоя используются кор-
розионностойкие металлы. Наши металлургические заводы освоили
многие виды проката листа, ленты, проволоки с защитными покрытия-
ми — луженые, хромированные, оцинкованные и др. Организовано
производство труб, покрытых цинком, алюминием, кремнием. Изго-
товление биметаллов сталь —- медь, сталь — латунь, сталь — брон-
за, сталь — никель и т. д. дает значительную экономию цветных ме-
таллов.
Неметаллические покрытия органического происхождения широко
применяются в строительстве, машиностроении, на транспорте. К неме-
таллическим покрытиям относятся лакокрасочные эмали, фенолофор-
мальдегидные смолы, неметаллические пленки и др.
Лакокрасочные покрытия, являясь самым распро-
страненным методом защиты металлов от коррозии, изолируют метал-
лические сооружения от контакта с агрессивной средой. Как известно,
этот метод защиты обязателен для всех строительных металлических
конструкций (мостов, ферм, колонн, магистральных трубопроводов,
различных емкостей и т. д.) и некоторых машиностроительных конст-
рукций.
Имеются лаки и краски, которые используют для защиты металла и
от электрохимической коррозии, ибо они увеличивают омическое со-
противление коррозийных пор, находящихся под слоем покрытия.
Лакокрасочные покрытия, кроме химической стойкости, в условиях
эксплуатации должны обладать достаточной механической прочностью,
водонепроницаемостью, прилипаемостью (адгезией), не пропускать газ
и защищать от подпочвенной коррозии.
Эмалированию подвергаются как черные, так и цветные
металлы. Удачное сочетание химической стойкости и механической
прочности позволило широко применять эмалирование в строительстве
и промышленности.
Фенолоформальдегидные смолы — наиболее рас-
пространенные антикоррозионные материалы из числа пластмасс.
На основе этих смол изготавливают следующие химически стойкие
сложные композиционные материалы: фаолит, текстолит, текстофолит.
Кроме того, применяют вяжущие лаки, арзалиты и некоторые специ-
альные мастики.
Получение покрытий напылением другого металла с целью изоля-
ции от агрессивной среды называют металлизацией.Такая защита сей-
час широко применяется.
Различают два типа металлических покрытий — анодное и катод-
ное. Для анодного покрытия используют металлы, обла-
дающие более отрицательным электродным потенциалом, чем основной
178
металл. В процессе коррозии анодные покрытия растворяются и пред-
охраняют металл от разрушения. Эти покрытия не боятся царапин и
других внешних нарушений слоя, так как при этом разрушаются пре-
имущественно сами покрытия. Анодным покрытием для железных спла-
вов являются цинк, кадмий и др.
Для катодного покрытия выбирают металлы, имеющие
меньшее отрицательное значение электродного потенциала, чем основ-
ной металл. Пока катодное покрытие полностью изолирует металл от
контакта с агрессивной средой, он не подвергается коррозии. При на-
рушении сплошности катодного покрытия (царапины, механические
повреждения и т. п.) его защитное действие прекращается, поскольку
основной металл легче будет разрушаться от действия электролита.
Катодными покрытиями служат медь, олово, свинец, никель и др. Вся-
кое защитное металлическое покрытие должно быть сплошным. Ме-
таллические покрытия наносят горячим методом, гальваническим и
способом металлизации. При металлизации на поверхность изделий
наносят мельчайшие капли расплавленного металла при помощи пис-
толета.
Металлизация — один из методов предотвращения корро-
зии. Химические, механические и физические свойства покрытий,
получаемых металлизацией путем напыления, часто резко отличаются
от свойств металлов и сплавов, подвергаемых металлизации. Одним из
наиболее важных факторов, определяющих практическую возможность
применения металлизации, является прочность сцепления наносимого
слоя с поверхностью основного металла. Это сцепление имеет чисто
механический характер и основано на адгезии, т. е. вызвано избыточной
энергией поверхностного слоя. Это определяет относительно невысокую
прочность сцепления металлических покрытий с основной поверхно-
стью. Металлизированный слой представляет хаотическое нагроможде-
ние отдельных распыленных металлических частиц размером от 1 до
4мкм. В последнее время производят плазменное напыление, сущность
которого-заключается в расплавлении металла электрической дугой,
последующим его подогреве быстродвижущейся высокотемператур-
ной плазмой и осаждении на рабочую поверхность. Все эти процессы
протекают в плазменной горелке.
Диффузионное покрытие осуществляют, насыщая по-
верхностные слои защищаемого металла атомами наносимого металла с
диффузией последнего в глубину основного металла. Этот процесс про-
текает при высоких температурах.
К диффузионным процессам относятся алитирование (покрытие
алюминием), хромирование (покрытие хромом), силицирование (покры-
тие кремнием) и т. д. Широко применяют покрытие оловом (лужение)
и цинком (для кровельного железа, водопроводных труб и других из-
делий).
При гальваническом способе покрытия изделие из
основного металла опускают в электролизеры (ванны), где под действи-
ем постоянного электрического тока на поверхности защищаемого ме-
талла осаждается никель, хром, цинк или другой металл. Защищае-
мый металл помещают в ваниу в качестве катода и подключают к отри-
7*
179
ных в электролит, металл
Рис. 61. Защита от корро-
зии внешним током:
J — защищаемый трубопровод:
2 — анод; 3 — пункт дренажа;
4 — эл&ктроконтаК1нрующий про-
вод
цателыюму полюсу источника тока, а анодами служат пластины ме-
талла покрытия, которые присоединяют к положительному заряду
источника тока. Металл анода растворяется, выделяясь затем на катоде.
Гальванические покрытия равномерно распределяются по поверх-
ности защищаемого металла и обеспечивают неограниченную толщину
покрытия; однако последние пористы и это существенный недостаток
данного способа, ограничивающий его применение.
Защита протекторами — один из способов электрохи-
мической защиты и в некоторых случаях полностью предохраняет ме-
талл от коррозии. При контакте двух различных металлов, погружеи-
с более низким электродным потенциалом
служит анодом и растворяется, защищая
от коррозии тот металл, который являет-
ся катодом. Этот метод — эффектив-
ный и экономически выгодный способ
защиты от коррозии металлических кон-
струкций в морской воде, почве и
других, в том числе нейтральных, сре-
дах; здесь в качестве протектора при-
меняют чистый цинк, реже алюмини-
ево-ципковый сплав или сплавы на ос-
нове магния.
Катодная защита внешним током
магистральных трубопроводов, котлов
и других паросиловых установок зак-
лючается в том, что от источника пос-
тоянного тока через катод подводится
ток к защищаемому металлическому
дополнительные пластины, опущенные в
электролит. В результате основное изделие становится катодом и пере-
стает корродировать (рис. 61).
Обработка коррозионной среды производится с целью умень-
шения ее агрессивного воздействия на металл или сплав. Некоторые
вещества сильно замедляют скорость коррозии и служат замедлителя-
ми (ингибиторами) коррозии. Ингибиторы по характеру их действия
можно разделить на анодные (т. е. тормозящие анодные процессы),
катодные (тормозящие катодные процессы) и смешанные — тормозя-
щие оба процесса. Кроме того, коррозионную активность среды можно
уменьшить, удаляя из нее некоторые составляющие, вызывающие
коррозию.
Наконец, при конструировании необходимо выбирать также формы
изделий, при которых в пазах, углах, на стыках не задерживается аг-
рессивная жидкость (рис. 61,6).
Кроме того, необходимо, чтобы сопрягающиеся детали и изделия
изготовлялись из сплавов, близких по коррозионным характеристи-
кам (нормальным электродным потенциалам).
изделию, а анодом служат
Раздел третий
ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Глава XVII
ЛИТЕЙНЫЕ ФОРМЫ
§ 1.	Общие сведения
Литейное производство — одно из самых древних и в настоящее
время самый распространенный способ обработки всех металлических
и некоторых неметаллических материалов.
Л1етодом литья изготовляют изделия (отливки), которые после ме-
ханической обработки или без нее широко используются в машиностро-
ении, металлургии, строительной и других отраслях промышленности.
Примерно четыре пятых всех отливок получают в разовых песча-
ных формах и одну пятую — специальными видами литья. Процесс
изготовления литых деталей в разовых песчаных формах состоит из
ряда последовательно выполняемых основных операций, показанных
на рис. 62.
Все перечисленные основные операции связаны со множеством
более мелких (см. ниже § 2—7).
Специальные виды литья подразделяются более чем на 50 способов,
основными из которых являются: кокильное литье, литье под давление,
литье в оболочковые формы, штамповка из жидкого металла, литье по
газифицируемым моделям, литье по выплавляемым моделям, центро-
бежное литье и др. (см. гл. XIX).
Разбирая основные переделы производства отливок различными
способами, необходимо знать их отличие от готовых для сборки литых
деталей.
Отливка — литая заготовка, освобожденная от элементов лит-
никовой системы; размеры и форма отливки и литой детали близки.
Литая деталь — готовое для сборки или эксплуатации изделие
из металлического или неметаллического сплава, которое изготавли-
вают механической или другой обработкой из отливки.
В том случае, если отливка имеет форму, размеры и массу готового
изделия, ее называют литой деталью. Например, специальными вида-
ми литья получают отливки с высокой размерной точностью, значи-
тельная часть которых поступает на сборку без механической обра-
ботки. Для таких отливок правомочно название литая деталь.
181
Проектирование литой
детали
____________I___________
Разработка технологии и
документации производ-
ства ОТЛИВКИ
1
к
!
Проектирование модель-
ного комплекта для изго-
товления отливки в nee-
's ано - г л и J i ис той фо рме
Специальные виды
литья
I
I Изготовление модельного
_________комплекта________
____________4_____________
Приготовление формоВОч- I
пых и стержневых смесей |
г
Изготовление формы
Окончательный брак
отливок
Сборка формы
Плавка сплава иля
металла
Заливка сплава
таяла в форму
Кристаллизация И
денме отливки в
Выбивка отливки и
из формы
Удаление стержней
отливки
Очистка, обрубка и цбнаж-
дачинание отливки
Литники и другие
мета л лоот хо пы (возврат}
Изготовление стержней
Контроль качества
отливки
Термическая обработка
от-1 и и кн _________
Грунтовки отливки
'[_J Исправление дефектов
I I	отливок
Механическая или другая I
обработка отливки________I
Готовая для сборки литая
деталь
На склад или на сборку

4
4
4
4
I
I
4
4

Рис. 62. Структурно-технологическая схема производства отливок
182
§ 2.	Модельные комплекты, формовочный инструмент, споки
Модельным комплектом называют совокупность оснастки и при-
способлений, предназначенных для получения определенной отливки.
Изготовление модельного комплекта является важным этапом произ-
водства отливок.
Модельный комплект состоит из модели отливки (или шаблонов
для изготовления формы), моделей элементов литниковой системы,
одного или нескольких стержневых ящиков, модельных или подмо-
делъных плит, шаблонов, кондукторов, драйеров и т. д.
Основной оснасткой для получения отливки в песчано-глинистой
форме является модель отливки и стержневой ящик (рис. 63).
Рис. 63. Оснастка и технология изготовлении в
песчано-глинистой форме со стержнем отливки
трубы:
С — отливка; б — деревянная модель: в — деревянный
стержневой ящик; ₽—песчано-глинистая форма в сборе
со стержнем; д— отливка с элементами литниковой
системы
Модель — приспособление, при помощи которого в литейной
форме воспроизводятся наружный контур будущей отливки, каналы
элементов литниковой системы и знаки для крепления стержней. По
наружной конфигурации модель является копией отливки и отличает-
ся от последней несколько увеличенными размерами, учитывающими
усадку сплава и другие особенности процесса. Иногда вместо модели
для получения полости формы используют шаблоны.
Стержневой ящик служит для изготовления стержней.
Стержни проставляются в форму для образования как внутренних, так
и наружных сложных поверхностей отливки. Размеры стержней вы-
полняют с учетом усадки сплава. Иногда вместо стержневых ящиков
для изготовления стержней используют шаблоны.
Для изготовления отливок без внутренних полостей стержни обыч-
но не применяют.
Модельная плита — металлическая гладкая или со слож-
ным разъемом плита с закрепленными на ней моделями отливки и эле-
183
ментов литниковой системы. Применяется преимущественно при ма-
шинной формовке. -
На под модельную плиту (из дерева или металла) при
пескометной или ручной формовке устанавливают модель отливки и
модели элементов литниковой системы. Такая плита может быть с
гладкой поверхностью и фигурными углублениями, соответствующими
выступающим частям неразъемной модели.
Формовочные шаблоны (протяжные и шаблоны враще-
ния) применяют для изготовления форм и реже стержней. Шаблоны
вращения используют при изготовлении форм для получения отливок—
тел вращения. Протяжные шаблоны применяют для изготовления
форм, имеющих прямолинейные и реже криволинейные очер-
тания.
Контрольные шаблоны применяют для проверки раз-
меров форм и стержней, а также для контроля правильной их
сборки.
Модели элементов литниковой системы слу-
жат для образования в форме каналов, по которым жидкий металл под-
водится к полости формы и питает отливку в процессе се кристаллиза-
ции.
В современной практике в модельном комплекте часто отсутствуют
те или иные его составляющие. Однако во всех случаях в модель-
ном комплекте имеется модель.
Важнейшими признаками классификации моделей являются:
вид литейного сплава, серийность производства, способ получения
литейных фюрм; материал, размер, конструкция и прочность модели;
точность ее изготовления; сложность модели; технологическая одно-
родность, конструктивная общность и т. д.
По виду литейного сплава различают модели для
стального, чугунного и цветного литья.
По способу получения литейных форм раз-
личают модели для машинной и ручной формовки.
По материалу модели подразделяются на деревянные, ме-
таллические, гипсовые, цементные, железобетонные, пластмассовые и
комбинированные (дерево и металл или пластмасса).
По конструкции модели бывают разъемные, не-
разъемные, с отъемными частями и специальные (скелетные и шаб-
лонные).
Не разбирая всего многообразия классификации моделей, отметим,
что деревянные модели делятся на три класса по прочности. Медели
первого класса изготовляют из прочных пород дерева (бук, орех) и при-
меняют в крупносерийном производстве при ручной и машинной
формовке. Модели второго класса выполняют из березы или липы
и применяют в мелкосерийном производстве. Модели третьего класса
изготовляют из сосны или ели и применяют в индивидуальном и реже
в мелкосерийном производстве.
Чтобы избежать коробления и уменьшения размеров при высыха-
нии древесины, деревянные модели изготовляют из сухого пиломате-
риала. Рабочая поверхность модели и стержневых ящиков должна
Т84
быть гладкой и стойкой против износа. С этой целью эту поверхность
модельно-стержневой деревянной оснастки шпаклюют, зачищают и
покрывают нитролаком, не разбухающим при соприкосновении с
влажной формовочной или стержневой смесью.
Деревянные модели маркируют в соответствии с изготовляемым по
ним литым деталям и окрашивают в красным цвет (чугунныеотливки),
синий (стальные отливки) и желтый (отливки из цветных сплавов).
Стержневые знаки на моделях окрашивают в черный цвет, а отъемные
части модели окантовывают черной полоской.
В связи с усадкой металлов и сплавов при затвердевании линейные
размеры моделей увеличивают при производстве отливок из серого
чугуна — па 1 %, ковкого чугуна и стали — на 2%, цветных спла-
вов — от 1 до 2%.
Для облегчения протя-жки модели из полости формы и стержня
из стержневого ящика на вертикальных их стенках предусматривают
формовочные уклоны на углы величиной от 0,5 до 5°.
Если отливка после изготовления подвергается механической обра-
ботке, то модели и стержневые ящики изготовляют с учетом припуска
на эту обработку.
Модель и стержневой ящик контролируют и выполняют так, чтобы
не было резких и острых переходов по толщине от одной части отлив-
ки к другой. Закругление наружных и внутренних углов модели назы-
вают галтелями.
Во всех случаях как при конструировании литой детали и модель-
но-стержневой оснастки, так и при последующих переделах производ-
ства отливок, необходимо обеспечить их максимальную технологич-
ность.
Под технологии н остью подразумевают такую конструк-
цию литой детали и модельно-стержневой оснастки, которые при ми-
нимальной себестоимости и затратах материалов и заданном качестве
обеспечивают максимальные удобства в процессе ее отливки, последу-
ющей обработки и эксплуатации. Обязательное условие технологич-
ности литой детали — простота ее конструкции с использованием для
ее изготовления минимального количества литейных стержней.
Формовочный инструмент. При изготовлении песча-
но-глинистых и некоторых других форм и стержней применяют ин-
струмент, который условно делится на две группы: инструмент для
наполнения опок и стержневых ящиков формовочной или стержневой
смесью и последующего ее уплотнения (лопаты, ручные и пневматичес-
кие трамбовки, линейки); инструмент для извлечения модели йз полос-
ти формы и отделки поверхности формы и стержней (крючки, подъем-
ники, гладилки, ложечки, ланцеты, пульверизаторы и т. д.).
Опоки. Опокой называют металлическую (реже деревянную)
рамку, служащую для удержания формовочной смеси, образующей
литейную форму, как при ее изготовлении и транспортировке, так и
при последующей заливке и охлаждении отливки. Обычно опоки отли-
вают из стали, чугунам алюминиевых сплавов.,Иногда стальные опо-
ки сваривают из стандартного проката.
185
§ 3.	Формовочные и стержневые смеси
Материалы, применяемые для изготовления разовых песчано-гли-
нистых и некоторых других литейных форм и стержней, называют фор-
мовочными. Они разделяются на исходные формовочные материалы,
формовочные и стержневые смеси.
Исходные формовочные материалы, которые часто называют пер-
вичными, подразделяют на основные (пески и глины) и вспомогатель-
ные (связующие, молотый уголь, древесные опилки, торф, графит и
Др.).
Песок является основной составляющей формовочных и стержневых
смесей. Формовочные пески состоят в основном из зерен кварца и
примеси глины, которые условно называют зерновой и глинистой сос-
тавляющими.
Зерновой составляющей, независимо от химического
состава, называют ту часть песка, величина зерен которого более 22
мкм.
Глинистой составляющей называют ту часть песка,
расчетный диаметр зерен которой менее 22 мкм.
По ГОСТ 2138—56 к формовочным пескам относят материалы с
содержанием глинистой составляющей до 50%, а к формовочным гли-
нам — материалы с содержанием глинистой составляющей свыше 50%.
В зависимости от содержания глинистой составляющей и примесей
пески подразделяются на классы, группы и категории, которые при-
ведены в табл. 10.
Формовочные и стержневые смеси. В литейном производстве
применяют большое количество разнообразных формовочных и стерж-
невых смесей. Выбор состава смеси обусловлен ее назначением.
Наиболее распространенные песчано-глинистые смеси классифи-
цируют:
а) по применению при формовке (облицовочные, наполнительные и
единые); б) в зависимости от состояния формы перед заливкой (для сы-
рых, сухих, подсушенных и самотвердеющих); в) по роду сплава (для
чугуна, стали и цветных сплавов).
Облицовочной называют формовочную смесь повышенного качест-
ва, из которой выполняют рабочую поверхность формы толщиной от
10 до 40 мм, соприкасающуюся с расплавом. Эта смесь должна иметь
высокую пластичность, газопроницаемость, прочность и огнеупорность.
Она содержит 50—90% свежих формовочных материалов (остальное—
соответственно регенерированную оборотную смесь). От общего коли-
чества формовочной смеси при изготовлении формы на долю облицо-
вочной приходится 10—20%; остальное — на долю наполнительной
формовочной смеси.
Наполнительную формовочную смесь (она более низкого качества)
используют для заполнения объема формы, оставшегося после нанесе-
ния облицовочного слоя. В состав такой смеси входит обычно 95—98%
оборотной регенерированной смеси и 5—2% свежих формовочных ма-
териалов.
186
Таблица 10
Классы песков в зависимости от содержания кварца и глины
(ГОСТ 2138—56)
		Основные составляю- щие. %		Вредные примеси. %		(не более»
Наименование песков	Класс				окисям щелочно-	
		глинистая	SiO,	сульфид-	земельных	скислы
			(нс менее)	ная сера	и щелоч -	железа
					пых	
					металлов	
Кварцевый		IK	До 2	97	Не допу с-	Менее	0,75
				кается	1.5	
» 			2К	» 2	96	0,025	1.5	1,0
х>	зк	» 2	94	0,025	2,0	1.5
» 		4К	» 2	90	Не норми-	Не порми-	Не лими-
				руется	руется	тируется
Кварцево-полево шпатный	КП	» 2	Менее 90	То же	То же	То же
Тощий		т	Сеыше 2	Нс нории-			»
		до 10	руется			
Полужирный ....	п	Свыше 10	То же			
		до 20				
Жирный		ж	Свыше 20	»		»	»
		до 30				
Очень жирный ....	ож	Свыше 30	»	*		
		до 50				
Единую формовочную смесь, занимающую по качеству среднее по-
ложение между облицовочной и наполнительной, применяют при ма-
шинном производстве мелких по массе форм, предназначенных для
тонкостенных отливок. В состав единых смесей входит 85—95% обо-
ротной регенерированной смеси и 15—5% свежих формовочных мате-
риалов.
Все эти смеси имеют влажность от 4 до 7 %. В состав облицовочных
и единых смесей, кроме глины, часто вводят противопригарные добавки.
Смеси для сырых форм в основном состоят из большого количества
оборотной смеси с добавкой свежих материалов в виде глинистых пес-
ков или смеси глины с песком.
. Смеси длясухих форм отличаются от смесей для сырых форм более
высокой прочностью, газопроницаемостью и податливостью. Послед-
ние два свойства обеспечиваются введением в смесь древесных опилок,
торфа и других веществ, которые выгорают, образуя дополнитель-
ные поры.
Смеси для подсушиваемых форм широко применяют при изготовле-
нии средних и крупных форм для ответственных отливок. Используют
такие смеси как облицовочные. В их состав вводят крепители, жидкое
стекло и др. При провяливании на воздухе или при кратковременной
тепловой подсушке (в течение 10—30 мин) на поверхности формы обра-
зуется прочный слой.
187
Смеси для химически затвердевающих форм применяют как обли-
цовочные. Они состоят из кварцевого песка, в который вводят 4,5—6%
жидкого стекла. Прочность таких смесей обеспечивают продувкой их
углекислым газом. При химическом затвердевании вода вступает в
прочное соединение с кремнеземом, входящим в состав жидкого стекла.
Образующийся при этом гель кремниевой кислоты, располагаясь меж-
ду зернами песка, связывает их в прочный конгломерат.
Стержневые смеси должны обладать большой прочностью, газопро-
ницаемостью и огнеупорностью. Стержни в процессе формозания
отливки находятся в более тяжелых условиях, чем форма. В стержне-
вые смеси для изготовления простых крупных стержней вводят глину.
Смеси для сложных стержней готовят из кварцевого песка с добавле-
нием различных крепителей. В смеси вводят повышенное количество
противопригарных добавок (уголь, графит, мазут) и добавок, обеспе-
чивающих податливость стержня (древесные опилки, торф 2—3% и
т. д.).
Жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) и песчаные самотвердею-
щие смеси (ПСС) применяют для изготовления форм и стержней в
современном производстве. После заполнения стержневого ящика или
опоки через 30—50 мин они затвердевают без тепловой сушки.
Изготовленная в смесителе смесь ЖСС имеет консистенцию смета-
ны; ее заливают в ящик или опоку и уплотняют.
Свойства смесей. Качество форм и стержней зависит от рабочих
свойств используемых для них смесей: пластичности, прочности, газо-
проницаемости, огнеупорности, долговечности, пригораемости, выби-
ваемости и податливости.
Пластичность — способность формовочной смеси воспри-
нимать отпечаток модели.
Прочность — сопротивляемость формы разрушению в про-
цессе транспортировки и сборки, а также при динамическом и стати-
ческом воздействии на нее жидкого металла.
Газопроницаемость — способность формы пропускать
газы, которые вытесняются из нее жидким металлом, а также выделя-
ются из формы и расплава.
Огнеупорност ь—свойство смеси не плавиться и не спе-
каться под действием залитого в форму металла и не образовывать при-
гар па поверхности отливки.
Долговечность — сохранение формовочной смесью своих
рабочих свойств в случае повторнсго использования при изготовлении
и заливке форм расплавом.
Пригораемость — прочное сцепление формовочного ма-
териала с поверхностью отливки в результате их химического и меха-
нического взаимодействия в период заливки и затвердевания расплава.
Сопротивляемость выбивке — работа, затрачивае-
мая на выбивку отливок из форм и стержней из отливок.
Податливость — способность формы и стержней умень-
шаться в объеме под действием усадки остывающей отливки. Особенно
это важно для стержней. Плохая податливость форм и стержней часто
приводит к появлению в отливках «горячих» трещин.
188
Технология приготовления смесей. Полный технологический про-
цесс приготовления формовочных и стержневых смесей включает пред-
варительную подготовку свежих исходных материалов; подготовку
оборотной смеси; регенерацию оборотной смеси и собственно приготов-
ление рабочей смеси.
На рис. 64 приведена схема подготовки исходных материалов и при-
готовления смесей в механизированном смесеприготовительном отде-
лении. Рассмотрим основные этапы этой операции.
Подготовка свежих материалов. Свежий песок из
вагонов (или автомашин) высыпают в приемное устройство 1 (рис. 64),
Рис. 64. Схема технологических переходов подготовки формовочных матери-
алов и приготовления смесей:
/ — приемное устройство; 2 — закром; 3 — отпускной бункер; 4 —сушило; 5 — размалы-
вающие бегуны; 6 — сито; 7 — дробилка с зубчатыми валками; 8 — дробилка с гладкими
валками; 9 — промежуточный бункер: /О —шаровая мельница; // — устройство для пода-
чи горячего воздуха; 12— циклон; /3— смешивающие бегуны; 14— магнитный сепаратор;
15 — бункер-отстойник; 16 — расходный бункер: /7 — аэратор; /8 — выбивная решетка;
19 — бункер отходов
а затем в закром 2 склада. Далее песок пересыпают в отпускной бункер
3, а из пего в сушило 4. Затем песок просеивают через сито 6 и переда-
ют в бункер над бегунами 13. Непросеянные комья песка поступают в
бегуны 5, где их разминают, и далее, в виде песка на сито бив бункер
над бегунами 13.
Каменный уголь из вагонов высыпают в приемное устройство 1 и
далее передают в закром 2 и в отпускной бункер 5, а из последнего в
дробилку с гладкими валками 8- Далее мелкие куски угля транспорти-
руют в промежуточный бункер 9 и из него в шаровую мельницу 10.
В процессе размола в мельницу поступает горячий воздух из установки
II. Сухие фракции угольной пыли выносятся этим воздухом в циклон
12, там осаживаются и затем поступают в бункер над бегунами 13.
189
Глину из вагонов перегружают краном в приемное устройство, а из
него в закром 2 и в отпускной бункер 3. Далее ее передают в дробилку
с зубчатыми валками 7, а из нее в виде мелких комьев в сушило 4.
Из последнего глину передают в промежуточный бункер 9 и далее в
дробилку с гладкими валками вив шаровую мельницу 10. Размолотый
порошок глины передается в осадительный циклон 12, а из него в бун-
кер над бегунами 13.
Подготовка и регенерация оборотной сме-
с и. Выбитая на выбивной решетке 18 смесь поступает в промежуточ-
ный бункер 9, из него на магнитную сепарацию 14, где отделяют ме-
таллические включения. Далее смесь проходит через дробилку с глад-
кими валками 8 и сито 6. При этом песок поступает в бункер оборотной
смеси над бегунами 13; пыль, зола и другие включения поступают в
бункер отходов 19.
Приготовление смеси. В процессе приготовления смеси
из бункеров с помощью дозаторов все сухие составляющие компоненты
смеси поступают в заданном количестве в смешивающие бегуны 13.
Там производится их перемешивание, добавляется вода и вновь осу-
ществляют перемешивание. Готовую смесь передают в бункер-отстой-
ник 15. В бункере смесь вылеживается не менее 2 ч для качественного
улучшения. Далее с помощью питателя смесь из бункера подают в
аэратор 17, где она взрыхляется. Затем смесь передают по ленточному
транспортеру в расходные бункера 16, установленные над формовоч-
ными машинами.
Для смешивания составляющих смеси применяют различные бе-
гуны производительностью от 5 до 60 т/ч формовочной или стержневой
смеси.
Указанная схема относится только к процессу изготовления формо-
вочных и стержневых смесей обычных составов.
Для приготовления смеси на жидком стекле последнюю из-под бегу-
нов подают в коробах непосредственно на формовку.
Смеси Ж.СС и ППС (самотвердеющие) готовят на специальных уста-
новках и немедленно (не позднее чем через 2 мин) используют для при-
готовления стержней и форм. Такие установки размещают прямо на
территории формовочного или стержневого отделений.
§ 4. Технология изготовления форм
Наиболее сложной и трудоемкой операцией изготовления отливки
является формовка — процесс изготовления формы.
Средняя трудоемкость формовочных работ, в зависимости от степе-
ни механизации процесса и сложности литья, составляет 30—60% об-
щей трудоемкости изготовления отливок.
Наиболее распространена формовка по моделям в почве или опоках,
шаблонная и машинная.
Формовка в почве. Литейную форму полностью готовят
на полу литейного цеха (на формовочном плацу). Формы в почве дела-
ют открытыми и закрытыми (рис. 65). При открытой формовке верх
190
формы в процессе заливки расплавом остается открытым; при закрытой
формовке верх формы в этом случае перекрывают заформованной опо-
кой.
Для формовки в почве готовят формовочный плац, так называемую
постель. Для производства мелких по размерам и массе отливок гото-
вят мягкую постель — производят рыхление, просев и выравнивание
формовочной смеси, покрывая участок формовки облицовочной формо-
вочной смесью. Для производства крупных и в ряде случаев средних по
размеру отливок на формо-
вочном плацу готовят твер-
дую постель. С целью повы-
шения газопроницаемости
формы ее дно по профилю от-
ливки выкладывают слоем
шлака толщиной 50—80 мм,
из которого газы отводятся с
помощью металлических труб.
Указанный слой шлака перек-
рывают облицовочной фор-
мовочной смесью.
При изготовлении твердой
постели используют и кир-
пичную кладку, а промежут-
ки между кирпичами засы-
пают шлаком.
Открытую формо-
вку применяют для отлив-
ки деталей С плоской пове-	Рис- е5 Формовка в почве
рхностью (плиты, колосни-
ки, грузы, каркасы и т. д.).
В этих случаях обычно применяется мягкая постель (рис. 65,а), на ко-
торую кладут модель 2, осаживая ее легкими ударами молотка по на-
ложенной на нее дощечке. Ватерпасом 4 проверяют горизон-
тальное положение модели. Затем ее обкладывают облицовочной
смесью, обжимают и насыпают наполнительную смесь. Далее смесь
уплотняют вначале клиновидной, а затем плоской ручной или пневма-
тической трамбовкой. Потом вторично проверяют ватерпасом горизон-
тальное положение верха модели, очищают линейкой излишек формо-
вочной смеси, заглаживают гладилкой смесь вокруг модели, укрепля-
ют шпильками или смачиванием водой смесь вблизи модели и душни-
ком 8 накалывают вентиляционные каналы 5. Далее для заливки ме-
таллом через чашу 6 на поверхности формы прорезают питатель 7,
над которым устанавливают литниковую чашу. С другой стороны формы
прорезают канал / с приемником для слива избыточного металла.
После этого модель удаляют подъемником 3; в почве остается отпе-
чаток модели, т. е. полость литейной формы. Затем исправляют и за-
глаживают гладилкой обвалившуюся при удалении модели смесь,
припыливают поверхность формы углем или серебристым графитом и
заливают ее металлом. Поверхность металла засыпают древесным углем
191
или слоем сухой формовочной смеси. Это создает условия для равно-
мерного охлаждения отливки и меньшего окисления металла.
Открытая формовка дает экономию формовочной смеси, опок и тру-
дозатрат. Однако поверхность верхней части отливки получается не-
ровной с включениями шлака и формовочной смеси; это недостаток спо-
соба формовки.
Закрытую формовку применяют для получения отливок
с чистой или фасонной верхней частью. В этом случае на приготовленную
твердую постель (рис. 65,6) укладывают нижнюю часть модели и не-
сколько осаживают ее в смесь. Затем выполняют все технологические
операции открытой почвенной формовки и укладывают верхнюю часть
модели. Поверхность уплотненной вокруг модели формовочной смеси
и саму модель посыпают разделительным составом (мелким сухим пес-
ком) и устанавливают пустую опоку. Правильную центровку опоки по
отношению к нижней половине формы осуществляют деревянными ко-
лышками .
Модели литниковой системы на левом фланце трубы и выпора на
правом фланце устанавливают перед заполнением опоки формовочной
смесью. Затем в опоку последовательно насыпают облицовочную, а за
ней наполнительную формовочную смесь, уплотняют ее сначала вдоль
стенок опоки, а затем и над моделью. Далее с целью выполнения вен-
тиляционных каналов осуществляют накол формы душником, снимают
верхнюю половину формы, поворачивают ее на 180° и отставляют в
сторону. После этого вынимают нижнюю половину модели из почвы,
а верхнюю — из полуформы, выполненной в опоке; исправляют и от-
делывают поверхность формы; устанавливают по знакам стержень;
ставят на место (центруя по колышкам) верхнюю полуформу; наращи-
вают чашу и выпор.
В ряде случаев закрытую форму в почве перед заливкой металла
просушивают. Для этого применяют различные по конструкции пере-
носные сушила.
Формовка в опоках широко применяется при ручном и
машинном способе изготовления песчано-глинистых литейных форм.
В зависимости от конфигурации отливки, ее размеров и сложности при-
меняют следующие способы формовки; в двух опоках по цельной мо-
дели; в двух опоках по разъемной модели; в трех и более опоках; по
модели с отъемными частями; стопочная; формовка в жакетах (безопоч-
ная) и др.
Форму в двух опоках по неразъемной модели (т. е. верхнюю и нижнюю
полуформы) готовят в такой последовательности (рис. 66). Модель уста-
навливают гладкой поверхностью на подмодельный щиток 1. На щиток
устанавливают опоку 2 и, чтобы уменьшить прилипаемость смеси к
модели, ее припудривают порошком ликоподия, талька или графита.
Затем модель засеивают слоем в 15—20 мм облицовочной формовочной
смеси 3, а опоку заполняют наполнительной формовочной смесью 4
толщиной 70—100 мм. Каждый такой слой уплотняют ручной или пнев-
матической трамбовкой 5 или методом машинной формовки (встряхи-
ванием, прессованием, пескометом). При ручной формовке, чтобы иск-
лючить вываливание смеси из опоки, ее уплотняют неравномерно;
192
наиболее плотно набивают слои формовочной смеси около стенок опоки.
С этой целью смесь начинают уплотнять около стенок опоки трамбов-
кой с клинообразной набойкой 5. В средней части опоки смесь уплотня-
ют менее сильно; эту операцию осуществляют трамбовкой с плоской
набойкой 6. Затем излишек смеси срезают линейкой 7 и в полуформе
Рис. 66. Изготовление формы в двух опоках по неразъемной модели
душником накалывают вентиляционные каналы 8; их не доводят до
модели на 15—20 мм.
Далее опоку переворачивают на 180°, ставят разъемом вверх 9 на
выровненную поверхность формовочного плаца или на деревянный щи-
ток. Затем заглаживают погерхность разъема, посыпая ее разделитель-
ным песком 10, и удаляют его излишек 11. На нижнюю полуформу ста-
193
вят (обычно по штырям, реже по колышкам) верхнюю полуформу (опо-
ку), плоскость разъема модели припудривают тальком или графитом
12. Установив модель стояка 13, покрывают (через сито) модель отлив-
ки облицовочным слоем формовочной смеси, на которую затем насыпают
наполнительную формовочную смесь 14. Затем формовочную смесь
уплотняют 15 и 16, ее излишки срезают линейкой 17, в верхней полу-
форме накалывают вентиляционные каналы 18. Далее извлекают из
верхней полуформы модель стояка, расширяют его верхнюю часть для
образования литниковой чаши, снимают верхнюю полуформу и кладут
на щиток плоскостью разъе-
ма вверх. Затем в нижней
полуформе по плоскости разъ-
ема прорезают ланцетом или
гладилкой канал — пита-
тель.
Кромку формы вокруг мо-
дели 21 в обеих полуформах
слегка смачивают водой. Мес-
тное увлажнение смеси нужно
для того, чтобы при выемке
модели форма не осыпалась.
Выемку модели из формы 22
производят прн помощи подъ-
емника, который ввинчивают
или вбивают в специальные
отверстия модели.
Оставшийся в форме сор удаляют струей воздуха. Для уменьшения
пригара формовочной смеси к отливке обе половины формы припили-
вают графитом или углем. Если форма сушится, то внутреннюю ее
полость окрашивают формовочной краской.
При сборке формы верхнюю полуформу осторожно, по направляю-
щим штырям, устанавливают на нижнюю. На собранную форму накла-
дывают груз или скрепляют обе половинки скобами (болтами).
Формовку в двух опоках по разъемной модели применяют при изго-
товлении форм средней сложности. Этот способ формовки имеет много
общего с формовкой по целой (неразъемной) модели.
Формы для отливки деталей сложной конфигурации должны иметь
по две и более плоскостей разъема, что облегчит выемку частей моде-
ли. В этих случаях каждую форму изготовляют в трех и более опоках.
Стопочную формовку применяют для отливки мелких
деталей; она требует небольших площадей формовочного отделения.
Возможны два вида стопочной формовки: этажный и ступенчатый.
При этажном способе формовки (рис. 67,а) 10—12 и более опок ста-
вят друг на друга и соединяют одним стояком, через который заливают
металл во все опоки. Продолжительность процесса заливки сокращает-
ся, вес литников уменьшается. Правда, из-за большого давления ме-
талла размеры деталей в нижних опоках могут искажаться.
При ступенчатой формовке (рис. 67,6) каждая опока имеет само-
стоятельную литниковую систему. Опоки устанавливают друг на друга
194
в виде ступеней. Каждая вышележащая форма сдвинута относительно
нижней формы на ширину литейной чаши.
При безопочной формовке (рис. 68) применяют двусторонние модель-
ные плиты. Для предотвращения прорыва металла в плоскости разъема
формы, а также для того, чтобы верхнюю половину формы нельзя бы-
ло сдвинуть относительно нижней, модельные плиты изготовляют с
уступом или замком.
Нижнюю опоку (рис. 68,а) набивают на металлической модельной
плите. Для удобства работы плиту кладут на перевернутую опоку 3.
После набивки нижней опоки 2 наверх кладут деревянный плоский
д)
Рис. 68. Безопочная формовка
195
щиток /, вместе с ним поворачивают форму на 180 и набивают верхнюю
опоку (рис. 68,6). Затем снимают верхнюю заформованную опоку (рис.
68,в) и подмодельную плиту 4 с моделями (рис. 68,г). Обе половины
формы отделывают и собирают (рис. 68,6). С собранной формы одновре-
менно снимают обе опоки (рис. 68,е). После этого безопочную форму на
щитке передают к месту заливки, где на нее надевают жакет 5 и кладут
груз (чугунную плиту) с отвер-
стием для литника.
Безопочную формовку широ-
ко применяют для отливки мел-
ких деталей. Этот способ фор-
мовки облегчает выбивку дета-
лей и дает значительную эконо-
мию опок. Однако расход фор-
мовочной земли при этом нес-
колько увеличивается.
Формовку по шаб-
лонам проводят в почве при
помощи профилированных до-
сок-шаблонов, когда требуется
быстро отлить детали больших
размеров Изготовление соответ-
ствующих моделей при формов-
ке в опоках стоит очень дорого
и требует много времени. Фор-
мовка по шаблону исключает
применение дорогих моделей,
Рис. 69. Схемы машинной формовки вследствие чего она примерно в
пять раз дешевле формовки по
моделям. Кроме того, при фор-
мовке крупной детали в опоке модель может получиться слишком
громоздкой, что затруднит выемку ее из формы.
Машины для изготовления литейных форм. Применение машин
для изготовления литейных форм позволяет резко увеличить про-
изводительность труда, повысить точность отливок, снизить себестои-
мость и улучшить качество литья. Кроме того, применение машин
позволяет механизировать и автоматизировать процесс изготовления
литейных форм.
Формовочные машины выполняют операции уплотнения смеси и
удаления модели из литейной формы. По способу уплотнения фермы
машины разделяют на прессовые, встряхивающие и пескометы.
Прессовые машины приводятся в действие сжатым возду-
хом под избыточным давлением 0,5—0,7 МН/м2 (0,5—0,7 МПа).
На рис. 69,а приведена схема машинной формовки с верхним прес-
сованием смеси в опоке. На столе 1 укрепляют подмодсльную плиту с
моделью 2 и устанавливают опоку 3 с наполнительной рамкой 4, запол-
няют их формовочной смесью из бункера. При подъеме стола машины
опока вместе с наполнительной рамкой и моделью упирается в прессо-
вую колодку 5 неподвижной траверсы 6. Колодка входит внутрь на-
196
волнительной рамки и уп-
лотняет формовочную смесь
до верхнего края опоки (на
рисунке указано пункти-
ром). После прессования
стол опускается в перво-
начальное положение. Этот
способ машинного изготов-
ления форм применяют
для небольших по высоте
моделей.
На рис. 69,6 приведе-
на схема машины с ниж-
ним прессованием. На сто-
ле / укрепляют подмо-
дельную плиту с моделью
2. На раму 3 устанавли-
вают опоку 4, в которую
насыпают формовочную
смесь из бункера; после
этого к поверхности опоки
вплотную подводят травер-
су 5. Механизм подъема
поднимает стол с моделью
до нижнего края опоки (на
рисунке указано пункти-
ром). По окончании прес-
сования стол опускается
в первоначальное поло-
жение.
Принцип работы встря-
хивающей формо-
вочной машины
(рис, 69,в) заключается в
том, что стол 2 с подмо-
дельной плитой, моделью
и опокой /, наполненной
формовочной смесью, под-
нимается поршнем 5 на
определенную высоту при
выпуске воздуха через
шланг 4 по каналу 3. Затем
стол падает (так как воз-
дух выходит через отверс-
тие 6) и ударяет о непо-
движный направляющий
цилиндр 7, уплотняя фор-
мовочную смесь в опоке.
Пружины 8, амортизируя
Рис. 70. Схема механизированного удале-
ни я модели из формы при машинной фор-
мовке :
о — подъем поду фирмы штифтами; б — опускание
модели через протяжную плиту; в — подъем полу-
формы штифтами через протяжную плиту; е — по-
ворачивание полу формы с моделью на I8i)s с по-
следующим подъемом стола с моделью; — опро-
кидывание полу формы на приемный стол с после-
дующим его опусканием; / — модель; 2 — пол у фор-
ма; <3 — подмодельная плита; 4 — штифты; 5 —
стол* 6 — протяжная плита; 7 — приемный стол
197
удары стола, уменьшают шум и предотвращают разрушение механизма
и фундамента.
При использовании для уплотнения форм в опоках встряхивающих,
встряхивающих с подпрессовкой и прессовых машин производится ме-
ханизированная протяжка (удаление) моделей из полости форм с по-
мощью механизмов, показанных на
рис. 70,а—д.
Пескометы механизируют
процесс уплотнения смеси; их при-
меняют для изготовления средних и
крупных форм (а также стержней)
при любой серийности производства.
Эти высокопроизводительные маши-
ны могут набить в опоки или стерж-
невые ящики от 5 до 35 ма/ч смеси в
зависимости от разновидности кон-
струкции и модели.
Устройство основной рабочей час-
ти пескомета — метательной го-
ловки — схематически показано на
рис. 71,а, В металлическом кожухе
1 со скоростью 1400—-1500 об/мин
вращается горизонтальный вал,
на конце которого насажен ротор с
прикрепленным к нему сменным ков-
198
шом 2. Смесь подается в головку пескомета транспортером через окно
3 в стенке кожуха и подхватывается вращающимся ковшом, который с
большой силой бросает ее в опоку (или стержневой ящик) через выход-
ное окно 4. Порции смеси (пакеты), ударяясь о слои, ранее поступив-
шие в опоку, уплотняют смесь. Для равномерного ее уплотнения
головку пескомета непрерывно вручную перемещают в горизонталь-
ной плоскости над опокой со скоростью от 0,3 до 0,6 м/с.
В производстве применяют стационарные и передвижные (велоси-
педного типа) формовочные пескометы.
Передвижной пескомет —опоки (на модельных плитах) устанавлива-
ют вдоль колони цеха. Пескомет со скоростью от 2 до 12,7 м/мин пере-
двигается вдоль стенок пролета (или вдоль колонн) и, останавливаясь,
набивает смесью опоки в радиусе действия перемещаемой на консолях
метательной головки.
К стационарному формовочному пескомету транспортером или кра-
ном подают опоки на модельных плитах в золу действия метательной
головки.
На рис. 71,6 показан стационарный формовочный пескомет. Осно-
ванием машины служит неподвижная тумба /5, в которой размещена
основная часть электрооборудования. На ней установлена вертикально
подвижная тумба 14, вокруг которой вращается большой рукав 9,
связанный с малым рукавом 7 через подвижную опору 2,
Гидравлический цилиндр 13 подъема рукавов шарнирно соединен
с опорным звеном большого рукава и поворотной тумбой. На большом
рукаве расположен его ленточный транспортер 10, рама которого опи-
рается на поворотную тумбу и стойку большого рукава.
На конце горизонтальной части внешнего звена большого рукава
установлена подвижная опора 2 малого рукава. Она может поворачи-
ваться относительно конца большого рукава в горизонтальной плос-
кости. На малом рукаве смонтирован ленточный транспортер 6.
Метательная головка 5 смонтирована на свободном конце малого ру-
кава. Привод ротора метательной головки и ленточного транспортера
малого рукава осуществляется электродвигателем 1 через вал, ограж-
денный трубой 5. Привод ленточного транспортера большого рукава
осуществляется электродвигателем 12.
Горизонтальное движение метательной головки (поворот рукавов)
по любой траектории производят вручную (ручкой 4).
После включения привода метательной головки и ленточных транс-
портеров смесь из цеховой смесераздаточной системы (см. рис. 64) не-
прерывно подается через приемную воронку 11 на ленточный транспор-
тер большого рукава. Далее она попадает в приемную воронку 8 и через
нее на ленточный транспортер малого рукава и потом через приемное
окно на роторе метательной головки (рис. 71,а).
§ 5. Автоматизация изготовления форм и производства отливок
В современном литейном производстве на базе прессовых, вибро-
прессовых, встряхивающих и пескометных машин создано много меха-
низированных и автоматизированных формовочно-сборочно-заливочно-
выбивных линий производства отливок в разовых песчаных формах.
199
Рис. 72- Автоматическая линия формовки, заливки и выбивки отливок
На рис. 72 показана типовая автоматическая линия для изготовле-
ния, заливки, охлаждения и выбивки залитых форм в опоках размером
900 X 700 X 350 мм. Производительность линии 200 форм в час.
Линию можно применять для выполнения сложных форм встряхива-
нием с одновременным прессованием или встряхиванием с последую-
щей допрессовкой, а также для производства простых невысоких форм
методом прессования.
Нижнюю полуформу изготовляют методом комбинированного уплот-
нения и последующей протяжки из нее модели на трехпозиционном про-
ходном формовочном автомате 10; верхнюю полуформу — на аналогич-
ном автомате 9. Нижнюю полуформу кантуют и установщиком 3 разъе-
мом вверх устанавливают на литейный конвейер пульсирующего типа 4.
При необходимости на участке литейного конвейера между позиция-
ми 3 и 5 в нижнюю полуформу вручную устанавливают стержни. На
позиции 5 нижнюю полуформу с помощью сборщика накрывают верх-
ней полуформой, на которую грузоукладчик 6 накладывает груз.
Формы заливают с помощью автоматизированной заливочной уста-
новки 7 с дистанционным управлением. На каждую линию устанавли-
вают по две таких установки. Залитые формы с наложенными грузами
подают пульсирующим транспортером в охладительный кожух 8.
После затвердевания отливок грузоукладчик 6 снимает груз и перено-
сит его на следующую форму. Форма с отливкой поступает на позицию
1, где сталкивателем передается в .механизм выдавливания комка
смеси 13; там смесь с отливкой выдавливается из опок и поступает на
транспортер дополнительного охлаждения 15, а затем на выбивную
решетку 14. На последней смесь отделяется от отливки. Оборотная
смесь проваливается в решетку, а отливка с элементами литниковой
системы скатывается в короб или на транспортер (на схеме не показа-
ны).
Освободившиеся опоки по транспортер}' 2 передаются к формовеч-
ным автоматам. При этом опоки поступают на механизм очистки опок
12 для удаления остатков смеси. Далее с помощью механизма 11 с
нижней опоки снимают верхнюю. После этого специальные
механизмы снимают опоки с транспортера и передают их к формо-
вочным автоматам 10 и 9 соответственно.
§ Б. Технология изготовления стержней
Для производства отливок наиболее часто используют разовые пес-
чаные стержни, упрочняемые тепловой сушкой. Технология изготов-
ления стержней во многом аналогична производству форм. Однако она
имеет и особенности, обусловленные более высокими требованиями к их
прочности, огнеупорности и газопроницаемости. Удовлетворение этих
требований обеспечивается прежде всего применением специальных
стержневых смесей, тепловой сушкой, армированием, устройством вен-
тиляционных каналов.
Армирование заключается в том, что при изготовлении стержней
в них закладывают стальную проволоку (диаметром 4—8 мм)
201
и литые каркасы (рис. 73). На литом каркасе могут быть приливы (тор-
цы) (рис. 73,о) или залитые в него прутки из стальной проволоки (рис.
73,6). В средних и крупных по массе стержнях к каркасам прикрепля-
ют ушки, за которые транспортируют стержень при его постановке в
форму.
Для упрочнения связи стержневой смеси с каркасом последний перед
помещением в изготавливаемый стержень смачивают раствором глины.
Вентиляционные, каналы в простых цилиндрических стержнях,
как и в формах, прокалывают душником. В изогнутых сложных стерж-
нях при единичном характере
производства вентиляционные
каналы получают с помощью
навощенных шнуров, кото-
рые закладывают в стержни;
в процессе сушки шнуры вы-
плавляются. Иногда для фор-
мования вентиляционных
каналов в стержни заклады-
вают трубы, па стенках кото-
рых в шахматном порядке
размещены отверстия для
прохода газов. В отдельных
случаях вместо труб в стер-
жень помещают стальную
стружку (вьюн), которая и
образует вентиляционный
канал.
Очень часто крупные и
сложные стержни готовят в
Рис. 73. Каркасы для стержней
стержневых ящиках по частям; после сушки такие части склеивают.
Такой процесс называют спариванием стержней. Щели между частями
стержня заделывают специальными замазками.
Песчано-глинистые стержни сушат от 2 до 12 ч при 200—280° С.
Продолжительность и температура сушки определяется размерами
стержня и составом крепителя, на котором изготовлена стержневая
смесь. Крупные стержни обычно сушат на фасонных сушильных пли-
тах с мелкими отверстиями, выполненными в шахматном порядке.
Такие сушильные плиты из чугуна или алюминиевых сплавов называ-
ют драйерами.
Подавляющую часть стержней как простой, так и сложной конфи-
гурации готовят в стержневых ящиках. Очень крупные стерж-
ни, имеющие форму тел вращения, иногда готовят с помощью шаб-
лонов.
Небольшие цилиндрические стержни получают в разъемных стерж-
невых ящиках (см. рис. 68,в). Такой ящик заполняют с торца стержне-
вой смесью. По центру набитого стержня накалывают вентиляционный
канал, после чего ящик ставят на драйер и разбирают.
Стержни сложной конфигурации готовят в вытряхных ящиках. Пос-
ле набивки стержня ящик накрывают драйером и поворачивают на
202
Рис. 74. Принципиальная схема и сущность
работы пескодувной стержневой машины
180е. Далее корпус ящика снимают строго вертикально вверх. Встав-
ки — вкладыши отодвигают от стержня в разные стороны.
Изготовление стержней вручную—трудоемкая операция. На совре-
менных заводах абсолютное большинство стержней, так же как и форм,
готовят на машинах.
Механизированным способом, часто с использованием автоматики,
стержни получают на встряхивающих, прессовых, пескометных, песко-
дувных, пескострельных и
мундштучных машинах, а
также с использованием жид-
ких самотвердеющих смесей.
Изготовление стержней
в стержневых ящиках с ис-
пользованием встряхиваю-
щих, прессовых и пескомет-
ных машин почти не отлича-
ется от аналогичного процес-
са уплотнения форм.
Сущность работы мундш-
тучной машины состоит в том,
что стержневая смесь из ее
камеры выдавливается шне-
ком через мундштук, имею-
щий отверстие, соответствую-
щее наружному поперечному
сечению изготавливаемого
стержня. Его в виде ленты
выдавливают на сушильную
плиту, сушат, разрезают на
мерные части и после зачис-
тки знаков устанавливают в
форму.
Для массового и крупносерийного производства мелких стержней с
массой до 10 кг применяют пескодувные стержневые машины-, для мел-
ких и средних стержней (до 160 кг) — пескострельные стержневые
машины. В большинстве случаев эти машины — полуавтоматы меха-
низируют не только уплотнение смеси в ящике, но также смыкание и
размыкание стержневого ящика.
По принципу работы стержневые машины подразделяют на песко-
дувные и более совершенные пескострельные.
Пескодувные машины. Принципиальная схема и сущ-
ность работы пескодувной стержневой машины показаны на рис. 74.
На столе 1 устанавливают стержневой ящик 2. Столом 1 его поджима-
ют к рабочему резервуару 4, основанием которого является надувная
плита <3 с отверстиями. Этот резервуар пневматическим толкателем
10 перемещают по рольгангу 9 под бункер 7 для заполнения стержневой
смесью. Одновременно шибер 6, сдвигаясь вправо, открывает отверстие
для поступления стержневой смеси из бункера в рабочий резервуар.
Пневматический вибратор 8 предотвращает зависание стержневой смеси
203
Рис. 75. Принципиальная с?ема
и сущность работы пескострель-
ной стержнеюй машины
в бункере. Для надува ящика стержневой смесью рабочий резервуар
перемещается пневматическим толкателем по рольгангу под клапан
дутья 5. Одновременно отключается вибратор и задвигается шибер
бункера. Затем производится надув смеси в стержневой ящик. Для раз-
рыхления смеси в рабочем резервуаре вращают мешалку. Избыточный
воздух из стержневого ящика удаляется через венты (пробки с щелями
от 0,3 до 0,5 мм) в атмосферу. Готовый стержень извлекают из стерж-
невого ящика, помещают на сушильную плиту или драйер и сушат
обычным образом.
Пескодувные машины работают по принципу интенсивного смеше-
ния потока воздуха со стержневой смесью. На процесс уплотнения стер-
жня расходуется очень много воз-
духа, что является недостатком
этих машин. Кроме того, для их
работы нужна стержневая смесь с
малой сырой прочностью, что в
свою очередь ограничивает размер
изготавливаемых стержней. Поэ-
тому в производстве наибольшее
применение получили пескострель-
ные стержневые машины.
Пескострельные ма-
га ины. В пескодувном резерву-
аре пескострельных стержневых
машин сильного смешения возду-
ха со стержневой смесью не про-
исходит. Сжатый воздух оказыва-
ет практически мгновенное дей-
ствие на столб стержневой смеси
в рабочем резерву аре и как бы вы-
стреливает ее в стержневой ящик.
С этой целью площадь попереч-
ного сечения вдувного канала
надувной плиты в таких машинах
делается больше, чем у пескодувных. Для обеспечения мгно-
венного большого расхода воздуха в комплект пескострельной ма-
шины входит ресивер. Схема надува стержня на гескострелшгой машине
показана на рис. 75. Из бункера заданное количество стержневой сме-
си подают в рабочий резервуар 4. После этого шибер 3 перекрывает
отверстие бункера. В рабочий резервуар с зазором вставлена гильза
5 с вертикальными и горизонтальными щелями шириной 0,4—0,95 мм
каждая. При надуве через эти щели в гильзу поступает под давлением
воздух. Вертикальные щели служат для некоторого сжатия столба
стержневой смеси в гильзе по периметру. Это уменьшает трение смеси
о стенки гильзы и предотвращает там ее зависание. Горизонтальные
щели предназначены для «выстреливания» стержневой смеси из рабо-
чего резервуара через его конусную насадку 8 в стержневой ящик.
При включении дутья быстродействующим клапаном 2 сжатый воздух
из ресивера / устремляется в рабочий резервуар, а затем через щели в
204
гильзу. Из ящика воздух выходит через венты 9 в воздушную коробку
6, а из нее через отверстия в ее стенках и сменной плите 7.
Машины такого типа работают в паре с поворотно-протяжными ма-
шинами, на которых кантуют стержневые ящики и извлекают из них
стержни.
Пескострельные машины часто используют для изготовления стерж-
ней из смесей на основе жидкого стекла, а также для «горячих» стерж-
невых ящиков.
При использовании смесей на жидком стекле стержень в ящике
упрочняют, продувая его углекислым газом в цехе.
Процесс изготовлена я стержне й по «горячим» ящикам состоит в том,
что нагретый до 200—220° С металлический стержневой ящик па пес-
кострельной машине надувают стержень из термореактивной необра-
тимо твердеющей смеси. Так готовят в массовом производстве оболоч-
ковые и сплошные стержни с массой до 6 кг.
При изготовлении стержней из ЖСС жидкую стержневую смесь,
изготовленную в смесителе, не позднее чем через 2 мин заливают в
подготовленный стержневой ящик, где она через 30—60 мин затверде-
вает, приобретая высокую прочность.
Изготовленные стержни (кроме полученных по «горячим» ящикам)
отделывают, красят, подвергают (если нужно) тепловой сушке и после
комплектации и зачистки знаков отправляют на сборку форм.
§ 7. Литниковая система
Для заливки расплава, приготовленного в печах, в полости
форм применяют литниковую систему, представляющую совокупность
связанных между собой каналов и резервуаров. Исключение состав-
ляет заливка открытых
форм, предназначенных
для производства прос-
тых неответственных от-
ливок (плиты, грузы и
т. п.), к качеству которых
не предъявляют высоких
требований.
Для производства от-
ливок в песчано-глинистых
и некоторых других фор-
мах чаще всего применя-
ют литниковую систему.
Рис. 76. Литниковая система
показанную на рис. 76. Она имеет: / — чашу (или воронку); 2 —
стояк; 3 — шлакоуловитель; 4 — питатель или питатели.
В зависимости от конфигурации и размеров отливки, рода сплава и
способа литья на практике применяют литниковые системы различной
конструкции. Литниковая система может в отдельных случаях состо-
ять только из одной чаши или из чаши и стояка или из чаши, стояка и
питателей. В отдельных случаях к одной полости формы подводят
несколько литниковых систем.
205
Элементы литниковой системы могут иметь различную конфигура-
цию и соотношения сечений каналов между собой.
В большинстве случаев при литье в песчано-глинистых и некоторых
других формах применяют выпоры 5 (рис. 76) или прибыли, которые
Рис. 77. Горизонтальные литниковые
системы:
а — с фильтрующим шлакоуловителем; б—с
щелевым вертикальным питателем; в— тормсн
эяшая; 1 — чаша; 2 — стояк; 3—ыеталлопри'
смннк: 4— подсеточный меваллопрнсмник; 5 —
шлакоуловитель; 6 — питатель; 7 — бобышки
писателя;	ш елевой вертикальный питатель;
9 — перекрывающий литниковый канал
также относятся к элементам
литниковой системы.
Чаша является металло-
приемником, в который из ков-
ша или плавильного агрегата
заливают расплавленный металл
или сплав. Чаша служит для
ослабления динамического напо-
ра свободно падающей струи
металла, предотвращения его
разбрызгивания и обеспечения
непрерывного питания каналов
литниковой системы; чаша так-
же предотвращает попадание
шлака в литниковую систему.
Стояк — канал литнико-
вой системы, передающий жид-
кий металл из чаши в шлако-
уловитель. Обычно это верти-
кальный сужающийся книзу
канал, обеспечивающий, кроме
того, необходимое металлоста-
тическое давление в форме.
Шлакоуловитель —
горизонтальный капал, задер-
живающий шлак и другие не-
металлические включения, а
также передающий металл от
стояка к питателям. Шлакоуло-
витель обычно размещают по
разъему в верхней полуформе и
выполняют по модели. По сече-
нию шлакоуловители обычно
трапецеидальной формы, а по
длине — прямые, изогнутые,
ступенчатые, зигзагообразные и
переменного профиля. В отдель-
ных случаях, например при
использовании щелевых литни-
ковых систем, применяют вертикальные шлакоуловители.
Питатели — короткие щелевидные каналы, служащие для
передачи металла из шлакоуловителя или стояка в полость формы.
Питатели чаще всего выполняют по разъему в нижней полуформе.
Обычно они имеют трапецеидальное и реже круглое или овальное
сечение.
206
По способу подвода металла к форме различают литниковые систе-
мы: горизонтальные (рис. 77), в которых металл подводят обычно по
плоскости разъема полуформ, и вертикальные (рис. 78).
Сечение каналов литниковой системы определяют расчетом по
элементарным формулам гидравлики, в которые введены обобщенные
Рис. 78. Вертикальные литниковые системы;
а дождевая; б —дождевая со шлакоуловителем; я —упрощенная для заливки сверху;
г — рожковая с фильтрующим шлакоуловителем; (? —смфонпая с кольцевым шлакоулови-
телем; е — сифонная для мелких отливок; 1— чаша, 2— стояк; 5 — отливка; 4 — верти-
кальные и рожковые питатели; 5 — кольцевой коллектор: 6 — выпор; 7 — литниковый ка-
нал; 8 — фильтрующий шлакоуловитель; 9 — сетчатые питатели; /б — подсеточный метал-
лоприемннк; И — кольцевой шлакоуловитель
опытные коэффициенты. Расчет начинают с определения суммарной
площади наименьшего поперечного сечения в узком месте литниковой
системы. В литниковых системах, применяемых при изготовлении
отливок из чугуна, стали и большинства медных сплавов, наименьшим
является сечение питателей у входа их в полость формы.
Каналы не должны быть длинными, так как при заливке формы ме-
талл остывает, густеет и его текучесть уменьшается. Это может при-
вести к браку по недоливу формы, заворотам и другим дефектам.
Скорость заполнения формы металлом зависит от поперечного се-
чения питателей литниковой системы. Слишком большое сечение кана-
лов литниковой системы приводит не только к перерасходу металла
(и увеличению себестоимости литья), но и к обвалу формы, особенно
верхних частей вследствие сильных ударов жидкого металла о ее
207
стенки. Кроме того, под действием сильных ударов жидкого металла
размеры формы могут увеличиться.
На скорость заливки влияет также давление металла в литниковой
системе: чем выше стояк, тем быстрее форма заполняется металлом.
Площадь сечения питателей определяют по формуле
^ = £/'(0,31^1%),	(49)
где — масса отливки, кг; р — коэффициент расхода металла (для
чугунного литья 0,27—0,55; стального 0,3—0,41; цветных металлов и
сплавов 0,6—0,7); i — время заливки, с:	— расчетный напор
металла, см.
Расчетный напор металла
tfp = tfM-(^/2tf0),	(50)
где — максимальный напор (по уровню металла в чаше над уров-
нем питателя); см; Нп — высота отливки над уровнем питателя; см;
Н0 — полная высота отливки, см.
Площади сечения стояка и шлакоуловителя определяют из соотно-
шения
Fcr : Л.И1 = (1,1	1.4) : (1,05 4- 1,2): 1.	(51)
Глава XVIII
ПОЛУЧЕНИЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА И ОТЛИВОК
§ 1. Шихтовые материалы и плавильные агрегаты
Жидкий металл в литейных цехах получают путем плавления
различных шихтовых материалов.
Для производства чугунных и стальных отливок в качестве
шихты применяют металлические материалы, топливо и флюсы.
Металлическую часть шихты составляют из определенного количества
литейного или передельного чугуна, чугунного и стального лома,
оборотного металла (литники, брак, всплески, стружка, высечка) и
небольшою количества ферросплавов. Для расплавления шихты в
вагранках сжигают кокс, кокс с добавкой природного газа и иногда
антрацит. При выплавке чугуна и стали используют флюсы: известняк,
доломит, плавиковый шпат; апатитовую руду, мартеновский шлак.
Назначение флюсов — понизить температуру плавления образующего-
ся шлака.
Для производства отливок из цветных сплавов металлическую часть
шихты составляют из первичных и вторичных металлов и сплавов.
Первичные металлы производят на металлургических заводах. Вто-
ричные металлы и сплавы получают путем переплавки цветного лома
и стружки в печах с последующей разливкой расплавленного металла
в плоские изложницы. В металлическую шихту для производства
отливок из цветных сплавов обычно добавляют лигатуру (специально
208
приготовленный сплав из двух или нескольких металлов). Так, при
изготовлении отливок из бронзы в шихту добавляют слово в виде ли-
гатуры меди и олова. Этим Достигается более равномерное распределе-
ние олова в объеме сплава, уменьшается ликвация, улучшается про-
цесс плавления и т. д. Флюсами при плавке цветных металлов обычно
служат хлористые и фторис-
тые соли щелочных и щелоч-
ноземельных металлов. Нап-
ример, при выплавке магни-
евых и алюминиевых спла-
вов в качестве флюса исполь-
зуют хлористый барий.
Плавильные агрегаты
обеспечивают	получение
жидкого металла требуемого
химического состава при
минимальном угаре, эконом-
ном расходе топлива и элек-
троэнергии. Размеры пла-
вильных агрегатов, их про-
изводительность соответст-
вуют потребности литейно-
го цеха в жидком металле.
В литейных цехах для плав-
ки стали применяют элект-
рические дуговые печи, не-
большие конверторы с боко-
вым дутьем и мартеновские
печи; для плавки чугуна —
вагранки, электрические ин-
дукционные печи промышлен-
ной частоты; для плавки цвет-
ных сплавов — различные
электрические и пламенные
печи.
Устройство и ра-
бота вагранки. Для
получения жидкого чугуна
в литейных цехах широко
представляет собой шахтную плавильную печь цилиндрической фор-
мы (рис. 79), установленную на колоннах 7. Кожух вагранки 7 изго-
товлен из листовой стали толщиной &—10 мм. Изнутри вагранку футе-
руют шамотным огнеупорным кирпичом 6. Футеровка верхней части
шахты защищена от ударов металлической части шихты чугунными
плитами 8.
Твердую шихту (кокс 13 и металл 14) загружают в вагранку по-
слойно с рабочей площадки через загрузочное окно 9. В крупных
литейных цехах загрузка шихты механизирована и производится
бадьей 12 с откидным дном.
Рис. 79. Вагранка
применяют вагранки. Вагранка
8—545
209
Воздух для горения топлива подается от вентилятора 5 через фур-
мы 4, расположенные над горном вагранки. Современные вагранки час-
то имеют два-три ряда фурм, установленных в шахматном порядке.
Продукты горения удаляют через трубу 11 и искрогаситель 10 (сухой
или с разбрызгиванием воды).
Нижнюю часть вагранки (от лещади 2 до фурм 4) называют горном
3. Лещадь набивают формовочной смесью, обладающей высокой огне-
упорностью. После каждой плавки лещадь выбивают. В нижней части
лещади имеется летка 15 для выпуска жидкого чугуна в копильник
16. Диаметр копильника в свету делается обычно несколько больше
диаметра шахты вагранки. Из копильника через летку 18 металл вы-
пускают по желобу 19 в ковш. Шлак по мере накопления удаляют через
летку 17.
Основные размеры вагранки выбирают по данным практики. Так,
площадь поперечного сечения вагранки (F) в зависимости от заданной
часовой производительности определяют по формуле
F = r.d2/4 = П?П1,	(52)
где d — диаметр вагранки в свету, м: П — заданная производитель-
ность вагранки, т/ч; 77, — удельная производительность на 1м2 се-
чения шахты, т/ч (обычно П — 6 4- 8 т/ч).
Полезную высоту вагранки Н (расстояние от оси основных фурм
до нижнего уровня загрузочного окна) определяют в зависимости от ее
диаметра. Н примерно равно (4—5) d.
Фурмы вагранок с копильником должны быть максимально приб-
лижены к лещади. В вагранках без копильника положение фурм над
лещадью определяется количеством жидкого металла, которое необхо-
димо накопить в горне перед выпуском. Высота горна с копильником
обычно не более 150—200 мм, без копильника — не более 450 мм.
При.задувке новой или капитально отремонтированной вагранки
на ее лещади разжигают костер из дров. Затем в вагранку загружают
кокс (несколько выше фурм) и подают дутье. Новые порции кокса за-
гружают до тех пор, пока его уровень не поднимется над верхним ря-
дом фурм примерно на 700—800 мм. Этот слой кокса, загруженный на
лещадь перед началом плавки, называют холостой колошей.
После разогрева холостой колоши в вагранку загружают первую
порцию металлической части шихты, состоящей из штыкового чугуна
и лома, а на нее некоторое количество известняка для образования
ваграночного шлака. После этого в вагранку задают первую рабочую
колошу кокса, составляющую 8—12 % массы металлической колоши.
Поочередная загрузка шихтовых материалов в вагранку продолжается
до уровня ее загрузочного окна. По окончании загрузки включают
полное дутье.
При появлении первых капель чугуна летки забивают глиной, пос-
ле чего горение кокса происходит на уровне фурм и несколько выше его.
В зоне полного горения кокса развиваются наиболее высокие темпера-
туры (1600—1700° С). Выше этой зоны температура несколько ниже, но
достаточна для расплавления металлической части шихты и образова-
ния шлака. При прохождении зоны полного сгорания кокса капли об-
210
Рис. 80. Плавильные печи:
а — стационарная отражательная; б — барабанная поворотная; в — тигельная;
е—барабанная поворотная с независимой электрической дугой; / — отверстие
для воздуха; 2— форсунка; 3 — камере горения; 4—плавильное пространство;
5 — загрузочное окно; $ — канал для отвода дымовых газов; 7 —кладка бара-
бана; 61 — стальные бандажи; 9 — штурвал; Ю — цилиндрическая шестерня; II—
зубчатый сегмент (обод) механизма наклона; 13 — камера горения; /3— стой-
ка; 14— торцовая стенка; /3 — дымоход; 16—клещи подъемного механизма;
17 — тигель; IS — приямок; 19 — колосниковая решетка; 20 — графитовые
электроды
8*
разевавшегося жидкого металла окисляются, что приводит к угару
металла. В горне вагранки металл насыщается серой и частично угле-
родом. Чем меньше высота горна, тем меньше продолжительность кон-
такта жидкого металла с коксом и, следовательно, меньше это насы-
щение.
Производительность вагранки зависит не только от площади ее
поперечного сечения, по и от интенсивности горения кокса. Под этим
понимают количество кокса в тоннах, сжигаемого на 1 м2 площади по-
перечного сечения вагранки в единицу времени. Для повышения про-
изводительности вагранки и снижения расхода топлива используют
обогащенное кислородом воздушное дутье (до 30—35% О2) и теплоту
отходящих продуктов горения (для предварительного подогрева воз-
душного дутья).
Большим преимуществом вагранки по сравнению с другими пла-
вильными агрегатами является непрерывность ее работы.
Пламенные печи. Чугун и цветные металлы можно плавить
в отражательных и барабанных пламенных печах. Для выплавки брон-
зы, латуни и ковкого чугуна применяют пламенные отражательные
печи (рис. 80,а). Свод таких печей отражает факел пламени на металл,
благодаря чему он плавится и перегревается. Эти печи работают на
каменном угле, пылевидном твердом топливе, мазуте или газе.
Для выплавки цветных металлов обычно используют барабанные
поворотные печи (рис. 80,6) с двумя камерами; в одной сгорает мазут,
в другой — плавится металл. Продукты горения удаляются через
дымовой канал. Барабанные печи емкостью до 300 кг металла вращай т
ручным штурвалом, более 300 кг —- специальными механизмами. В пе-
чи емкостью 300 кг плавка бронзы продолжается 1 ч, а чугуна — 1,5—
2 ч.
Тигельные печ и. На рис. 80, в дана схема простейшей ти-
гельной печи. Медные сплавы плавят в шамотных или графитовых тиг-
лях. Алюминиевые и Цинковые сплавы часто плавят в стальных и чу-
гунных литых тиглях.
Тигельные печи могут работать на жидком, газообразном и пыле-
видном топливе. При сжигании топлива стенки тигля нагреваются и
передают тепло металлу. Емкость тиглей находится в пределах от 30
до 150 кг расплава. Продолжительность плавки зависит от рода метал-
ла, вида топлива и интенсивности его сжигания. Качество отливок по-
лучается высокое. Большой расход топлива является недостатком это-
го способа плавки литейных сплавов.
В современных литейных цехах применяют поворотные тигельные
печи, установленные выше уровня пола на подставках. Металл выпус-
кают, поворачивая тигель на цапфах.
Электрические печи. В этих печах получают высокока-
чественный металл. В литейном производстве применяют электрические
печи дуговые, сопротивления и индукционные.
Дуговые электрические печи наиболее часто применяют для выплав-
ки стали, реже для чугуна и некоторых цветных металлов и сплавов.
Плавильные участки сталеплавильных литейных цехов, в зависимости
от объема производства и развеса выпускаемых отливок, снабжаются
212
дуговыми электропечами емкостью от 3 до 50 т. В этих печах предус-
мотрено электромагнитное перемешивание расплавляемой стали. Для
участков цветного литья применяются такие же печи, но в большинстве
случаев меньшей емкости. Дуговые печи работают на трехфазном токе
и расходуют на выплавку 1 т жидкой стали из твердой металлической
шихты от 600 до 850 кВт- ч электроэнергии. Продолжительность плав-
ки зависит от емкости печей и достигает 4 ч.
Для выплавки медных сплавов обычно применяют барабанные пе-
чи с независимей электрической дугой (рис. 80,г). В таких печах загруз-
ку металлической шихты и выпуск металла производят через загрузоч-
ное окно в цилиндрической стенке печи.
Алюминиевые сплавы выплавляют обычно в электрических печах
сопротивления и реже в электрообогреваемых и пламенных печах.
Индукционные печи имеют ряд преимуществ перед другими плавиль-
ными агрегатами. В них можно нагревать металл до очень высоких тем-
ператур без местного перегрева (что наблюдается иногда в электричес-
ких дуговых печах), регулировать состав газовой атмосферы или
создавать вакуум. Емкость индукционных печей изменяется от несколь-
ких килограммов (лабораторные печи) до 6—10 т. В современной прак-
тике находят широкое применение индукционные печи промышленной
частоты, их используют для плавки обычного и синтетического чугуна.
В таких печах можно успешно вести плавку стружки и высечки без их
брикетирования. Одновременно такой процесс очень мобилен (плавка
длится не более 40 мин), резко улучшаются условия труда, не нужно
расходовать дефицитный литейный чугун. Применение этих печей поз-
воляет с минимальными затратами получать металл высокого качества.
Для производства слитков и отливок ответственного назначения в
современной практике используют электрошлаковый пе-
реплав и электроннолучевую плавку, которые
обеспечивают получение рафинированных расплавов металлов и их
сплавов.
§ 2. Получение отливок
Литейные свойства металлов и сплавов прямо и непосредственно
влияют на получение качественных отливок заданной конфигурации,
на эксплуатационные показатели и получение качественных поверх-
ностей. К литейным свойствам относят: жидкотекучесть; усадк"у;
склонность к поглощению газов и образованию газовых включений;
склонность к появлению неметаллических включений; особенности
первичной и вторичной кристаллизации и образования микро- и мак-
роструктуры; трещиноустойчивость; образование литейных напряже-
ний; склонность к ликвации.
Жидкотекучестью называют способность жидких мета ллов
и сплавов течь по литейной форме и заполнять ее полости, образующие
отливку. При хорошей жидкотекучести металл или сплав заполняет
как толстые, так и тонкие сечения отливки. При недостаточной жидко-
текучести форма не заполняется металлом, в тонких сечениях отливки
образуются недоливы.
213
Рис. 81, Спираль для определе-
ния жидкотекучести металла:
а — спираль; б “Литниковая система
Степень заполнения формы зависит от температуры и химического
состава металла, качества отделки формы и теплоемкости ее материа-
ла, конструкции литниковой системы и количества неметаллических
примесей в расплавленном металле. Повышение температуры увели-
чивает жидкотекучесть всех металлов и сплавов. Чем лучше отделка
формы и литниковых каналов, тем быстрее и полнее форма заполняется
расплавом. Неметаллические при-
меси в металле ухудшают его жид-
котекучесть и затрудняют прод-
вижение его в форме. С увеличе-
нием содержания в чугуне серы,
кислорода и хрома жидкотекучесть
его уменьшается, а с повышени-
ем содержания фосфора, кремния,
марганца, алюминия, меди и уг-
лерода (до эвтектического соста-
ва), наоборот, увеличивается.
Жидкотекучесть определяют
специальной технологической про-
бой. На рис.81 представлена одна
изтаких весьма распространенных
проб — особая спираль.
Усадкой называют сокра-
щение линейных размеров и объ-
ема материалов вследствие затвер-
девания и охлаждения. Различа-
ют линейную и объемную усадку.
Линейная усадка представляет
разницу между линейными разме-
рами полости форм и отливки- Эта
усадка обычно учитывается при
определении размеров модельнс-сгержневой оснастки, по которой фор-
мируется наружная и внутренняя полость формы.
Ликвациейв металлургии и литейном производстве называ-
ют неоднородность химического состава в различных частях отливки
или слитка. Наличие ликвации характеризует качество отливки или
слитка. Различают два основных вида ликвации; внутризеренную
(дендритную) и зональную. Внутризеренная, или дендритная, ликва-
ция характеризуется наличием химической неоднородности в преде-
лах отдельного зерна (дендрита) сплава. Зональной ликвацией назы-
вают химическую неоднородность, обнаруженную в объеме всего
затвердевшего литого изделия. Разновидностью зональной ликвации
можно считать ликвацию по удельному весу. При этом наблюдается
механическое разделение компонентов сплава, значительно отличаю-
щихся друг от друга своим удельным весом.
Заливка форм. Металл, выплавленный в печах, выпускают в ковши,
из которых разливают по формам. Емкость ковшей равна от 25—35 кг
до Юти более.
Ковши могут быть конические, барабанные и специальной конст-
214
рукции. Кожух ковшей готовят из котельного железа. Малые ковши
изнутри обмазывают глиной; крупные — выкладывают огнеупорным
кирпичом или набивают огнеупорной массой. Перед заполнением
металлом ковши следует хорошо просушить и нагреть, так как из пло-
хо просушенных ковшей возможны выбросы жидкого металла. Кроме
того, металл в сырых ковшах быстро охлаждается, образуя настыли,
и насыщается газами.
Охлаждение отливок. Отливку охлаждают в форме до температуры,
которая исключает ее разрушение или образование «холодных трещин»
при выбивке. В механизированных цехах чугунные и мелкие стальные
отливки выбивают при температуре 500 — 800° С. Крупные и
средние по массе отливки — при более низкой температуре.
Выбивка форм. После затвердевания и достаточного охлаждения
отливки выбивают из формы. Преждевременно выбитая отливка может
покоробиться; поэтому выбивать начинают, когда температура, на-
пример чугунной отливки, не превышает 400—600° С.
Выбивка отливок из форм и удаление стержней — трудоемкая
операция, во время которой выделяется значительное количество
теплоты и пыли. Отливки выбивают из форм при помощи вибрацион-
ных коромысел, встряхивающих решеток и вибраторов.
После очистки отливок от остатков формовочной смеси выбивают
стержни. Выбивка песчаных стержней возможна ручная, механизиро-
ванная и гидравлическая. Ручную в ы б и в к у производят пнев-
матическими молотками. Механизированную выбивку
стержней осуществляют при помощи стационарных или накладных
вибраторов. Для выбивки стержней из крупных отливок целесооб-
разно применять также станки-перфораторы. Более гигиенична и
производительна гидравлическая выбивка стержней.
Она заключается в разрушении и размывании стержня струей воды,
подаваемой под давлением 2,4—9,8 МН.'м3 (МПа). В последнее время
гидравлическую выбивку стержней заменяют песко-гидравлической,
применение которой позволяет получать отливки с более чистой по-
верхностью.
Очистка литья. Отливку, освобожденную от стержней и формовоч-
ной смеси, очищают от пригоревшей формовочной смеси. Кроме того,
с отливки необходимо удалить литники и заливы. Все эти операции
производят в обрубном отделении. Очистка литья может быть ручной и
механизированной. Ручную очистку выполняют пневматичес-
кими зубилами, стальными щетками и т. п. инструментами. При ме-
ханизированной очистке применяют очистные бараба-
ны, пескоструйные и дробеметные аппараты.
В круглых или квадратных барабанах очищают мелкое литье, за-
гружаемое вместе со «звездочками», изготовленными из белого чугу-
на, Вращаясь в барабане, отливки в течение 0,5 ч трутся друг о друга
и о звездочки, в результате чего очищаются от пригоревшей формовоч-
ной смеси.
Пескоструйные и дробеметные аппараты широко применяют для
очистки мелкого, среднего и крупного литья. На поверхность очищае-
мой отливки направляют струю сжатого воздуха вместе с сухим пес-
215
ком или чугунной дробью. Песок или дробь, ударяясь о поверхность
отливки, очищает ее от пригоревшей формовочной смеси.
Более совершенна очистка отливок песком с водой в песко-гидрав-
лических установках. При этом способе одновременно выполняются
две операции: выбивка стержней и очистка отливок.
В современной практике применяют также очистку отливок от при-
гара в расплаве щелочей (выщелачивание) и электрохимическую
очистку.
Обрезку и обрубку заливов, прибылей, вы-
поров и питателей, а также зачистку отливок выполняют
путем механической обработки или газовой и электрической дуговой
резки.
Механическая обработка отливок состоит из следующих операций:
обрезка или отбивка питателей, выпоров и прибылей; обрубка заливов
и остатков элементов литниковой системы пневматическими зубилами;
обдирка и зачистка поверхности отливок на шлифовальных кругах и в
дробеметных аппаратах.
Термическую обработку отливок производят в литей-
ном цехе; значительная часть стальных и некоторая часть чугунных от-
ливок проходят термическую и химико-термическую обработку. После
термической обработки стальные и некоторые другие отливки подвер-
гают дробеструйной очистке от образовавшейся окалины. Годные от-
ливки передают на механическую обработку, а поставляемые по ко-
операции другим предприятиям грунтуют (покрывают краской) и пе-
редают на склад готовой продукции.
§ 3. Характеристика чугунных и стальных отписок
Чугунные отливки — наиболее распространенный вид литых
деталей. Широкое применение серого чугуна в машиностроении, строи-
те.'ьстве и других отраслях народного хозяйства объясняется удачным
сочетанием в нем хороших литейных и удовлетворительных механичес-
ких свойств.
Механические и некоторые другие свойства серого чугуна ре-
гулируют, изменяя содержание углерода, кремния, марганца, хрома
и некоторых других составляющих. Механические свойства серого
чугуна часто регулируют скоростью охлаждения отливки в полости
формы, а также модифицированием жидкого чугуна на желобе пла-
вильного агрегата или в ковше. В качестве модификаторов в этом слу-
чае используют ферросилиций, силикокальций, магний и некоторые
другие ферросплавы и металлы.
Существует несколько способов улучшения механических свойств
чугунных отливок. Большинство их основано на изменении количества
углерода в сплаве, а также регулировании количества и формы графи-
товых включений в отливке. Если в металлическую шихту добавить
30—40% стального лома, то содержание углерода в чугуне снизится
до 2,8—3% и в результате получится перлитный чугун. Его применя-
ют для изготовления ответственных деталей, как обладающего доста-
точно высокой прочностью (предел прочности при растяжении достига-
216
ет 400—450 МН/м®. ) . Путем модифицирования чугуна магнием можно
получить высокопрочный чугун с шаровидными выделениями графита.
Такой чугун имеет прочностные характеристики, близкие к стали, и в
ряде случаев ее заменяет.
Ковкий чугун получают при отжиге белого чугуна в тече-
ние 30—60 ч при 900—1050°С. В зависимости от условий отжига ков-
кий чугун бывает перлитный (белосердечный) и ферритный (черносер-
дечный).
Перлитный ковкий чугун получают после отжига белого чугуна в
окислительной атмосфере. Для этого отливки из белого чугуна укла-
дывают в металлические ящики, засыпают железной рудой и ставят
в пламенную печь или электрическую печь сопротивления. При высо-
кой температуре карбид железа в чугуне разлагается по реакции
Fe3C -> 3Fe + С„тжпга
Одновременно металл с поверхности отливки при воздействии на
нее кислорода руды частично обезуглероживается. Отливки перлитно-
го чугуна имеют в изломе светло-серебристый цвет.
Наибольшее применение получил ферритный ковкий чугун, кото-
рый получают после отжига отливок из белого чугуна в нейтральной
среде без добавки руды в ящики. Во время такого отжига распадается
цементит, но металл не обезуглероживается. Излом ферритного чугу-
на бархатисто-черный.
Ковкий чугун разделяют па марки в зависимости от предела проч-
ности при растяжении и относительного удлинения. В отличие от
обычных серых чугунов ковкие чугуны обладают лучшими пластичес-
кими свойствами. Тем не менее их нельзя подвергать ковке или штам-
повке, так как они не выдерживают больших деформаций.
Легированный чугун. Введение в состав чугуна хрома,
никеля, меди, титана, молибдена и других легирующих элементов
сопровождается улучшением его механических и физико-химических
свойств. Б ряде случаев можно получать отливки со специальными
свойствами.
Чугунные отливки широко применяют в строительстве. Так, из
серого чугуна отливают опорные колонны, подушки и другие детали,
работающие на сжатие, а также санитарно-технические изделия и печ-
ную арматуру (трубы, радиаторы, колосники и т. д.). Чугунные отлив-
ки используют также при строительстве тоннелей.
Стальное литье. В зависимости от химического состава стали от-
ливки разделяют на углеродистые, низколегированные и высоколеги-
рованные со специальными свойствами. Наибольшее количество сталь-
ных отливок получают из углеродистой стали. Фасонное литье из угле-
родистых сталей по химическому составу и механическим свойствам
согласно ГОСТ 997—58 разделяют на десять марок (15Л; 20Л; ...;55Л).
Широко применяемые в литейном производстве стали имеют сле-
дующий химический состав: 0,15—0,45% С; 0,5—1 % Мп; 0,2—0,5% Si.
Содержание серы и фосфора должно быть минимальным. Стальные
отливки имеют феррито-перлитную структуру и следующие механичес-
кие свойства: предел прочности при растяжении не менее 400—600
217
МН/мг (МПа), предел текучести 200-—350 МН/м2 (МПа), относительнее
удлинение 10—24%, относительное сужение 18—35% и ударную вяз-
кость не менее 0,25—0,5 МДж м2.
Сталь по сравнению с чугуном обладает более высокой температу-
рой плавления,большей величиной усадки (около 2 %), худшей жидкоте-
кучестью, большей склонностью к образованию термических напря-
жений и трещин (горячих и холодных). В связи с этим к литейным фор-
мам для стального литья предъявляют высокие требования. Такие
формы должны обладать большой прочностью, газопроницаемостью,
огнеупорностью и податливостью, чем формы для чугунного и цвет-
ного литья.
Большинство отливок из углеродистых и других сталей подвергают
термической обработке, которую проводят для улучшения их микро-
структуры, механических и эксплуатационных свойств, а также для
уменьшения остаточных напряжений. Э