Файл: Спектр. анал..doc

Глава 1. Металлические материалы

1.1. Основные сведения о производстве металлов и сплавов

Исходным материалом для получения металлов и их сплавов является руда. В самородном виде в природе встречаются только химические стойкие металлы (золото, платина, серебро, медь). Остальные металлы в результате высокой химической активности встречаются в виде соединений (окислов, сульфидов, карбидов и др.), которые входят в состав сложных минералов. Эти минералы образуют горные породы. Горные породы, из которых получают тот или иной металл, называют рудами. Часть руды, в которой содержится металл, называется рудным минералом, а часть, не содержащая металл, - пустой породой.

Название руды соответствует названию основного металла в ней (алюминиевая, железная, никелевая и т.д.). Существуют в природе и полиметаллические (комплексные) руды, в которых содержатся разные металлы. В пустой породе встречаются чаще всего кремнезем (SiO₂), глинозем (Al₂O₃), известковые соединения (СаО, CaCO₃), магнезиальные соединения (MgO). Руды в зависимости от содержания основного металла бывают богатые и бедные. Богатые руды передают на переработку, а бедные подвергают обогащению, т.е. разделению рудных минералов и пустой породы путем флотации, магнитным, гравитационным, электрическим и иными способами. Обогащенная часть – концентрат идет в производство, а отходы не используются.

Производство черных и цветных металлов из руд состоит из двух этапов:

1. отделения минерала, содержащего металл, от породы;

2. извлечения металла из рудных минералов.

Процессы извлечения металла из рудных минералов разделяют на термометаллургические, гидрометаллургические, электрометаллургические, химико-металлургические.

Термометаллургический процесс основан на использовании тепловой энергии, получаемой при сжигании топлива и необходимой для протекания химических реакций в жидком расплаве. Используются восстановительная (доменный процесс) и окислительная (производство стали) плавки. Дистилляция (перегонка) используются при производстве цветных металлов: цинка, магния, ртути и др.

Гидрометаллургический процесс базируется на выделении металлов из водных растворов. Он состоит из осаждения и выщелачивания.

Осаждение – это процесс перевода металла из растворов в водорастворимые соединения. Широко используется в производстве алюминия, вольфрама и других металлов.

Выщелачивание – это процесс избирательного растворения металлосодержащего компонента обрабатываемого материала. Используется при производстве цинка и меди.

Электрометаллургический процесс заключается в получении металлов и сплавов в электрических печах и при электролизе металлов из растворов солей. Этим способом получают алюминий, магний, медь, железо, марганец, никель, титан, ванадий.

Химико-металлургический процесс основан на использовании химических и металлургических процессов. Этот процесс используют для производства титана, никеля.

Порошковая металлургия – производство порошков, их прессование и спекание. Используют в основном при производстве антифрикционных и твердых сплавов.

Металлургические процессы классифицируют на первичные и вторичные. К первичным процессам относят выплавку металлов из руд, а ко вторичным – процессы, позволяющие получать чистый металл путем окисления примесей, которые находятся в передельных первичных плавках металла, и удаления этих примесей в виде отходов (шлаков).

Для производства чугунов используют термометаллургические первичные процессы, при которых извлечение металла из руды осуществляют при высокой температуре.

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом, содержащий более 2% углерода. Предельное содержание углерода в чугуне колеблется от 2,4 до 2,8% для малоуглеродистых чугунов и до 4,5 – 5,0% - для белых чугунов, а также высокоуглеродистых чугунов.

В зависимости от назначения чугуны делятся на передельные и литейные. Передельные чугуны применяют для выплавки стали, а литейные – для изготовления отливок различного назначения. В последнее время широко используют синтетический литейный чугун, полученный насыщением и обогащением передельного чугуна кремнием за счет добавления в него электропечного ферросилиция. Качество чугуна зависит от его химического состава. Содержание химических элементов С, Si, S, Mn, Cr, P, Cu регламентируется техническими требованиями.

Исходным сырьем для выплавки чугуна являются железные руды и марганцевые руды, флюсы и топливо. Железо в рудах содержится в основном в виде окислов, иногда – в виде карбоната железа FeCO₃. Виды железных руд: магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк, шпатовый железняк.

Магнитный железняк содержит 50 – 60% Fe (железа) в виде магнитной окиси Fe₃O₄ (магнетит). Красный железняк содержит 50 – 70% Fe в виде безводной окиси Fe₃O₃ (гематит). Бурый железняк содержит 25 – 50% Fe в виде гидроокиси 2Fe₂O₃3H₂O (лимонит) и Fe₂O₃H₂O (гетит). Шпатовый железняк содержит 30 – 40% Fe в виде карбоната железа FeCO₃ (сидерит).

Марганцевые руды содержат 20 – 55% Mn (марганца) в виде различных окислов. При производстве чугуна в качестве флюса применяют известняк или доломитизированный известняк. Основным видом топлива при производстве чугуна является кокс в виде крупных, прочных и пористых кусков, в которых содержится большое количество углерода. В качестве топлива используют также природный газ.

Стали выплавляют в основном из передельных чугунов. Отливки получают из литейных чугунов. К сталям относят железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2% углерода. Производство стали относится к вторичным металлургическим процессам. Стали выплавляются в мартеновских печах, в конвертерах и в электропечах электрошлаковым, вакуумно-дуговым, электронно-лучевым и плазменно-дуговым способами.

Конвертерный способ получения стали заключается а продувке жидкого чугуна воздухом или кислородом. Выплавка стали проводится по бессемеровскому и томасовскому процессам. В томасовском процессе с помощью флюсов извлекают серу и фосфор, а в бессемеровском – в результате взаимодействия основного шлака с кислой футеровкой удаление этих вредных примесей не происходит. Для выплавки стали в конвертерах, в электрических и мартеновских печах используют чугун, металлолом, железную руду и флюсы.

Основным признаком, по которому классифицируют стали, является их химический состав. Он определяет марку стали. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. По назначению углеродистые и легированные стали делят на конструкционные, инструментальные, стали специального назначения и стали с особыми свойствами.

В зависимости от содержания углерода углеродистые стали бывают низкоуглеродистые (С<0,3%), среднеуглеродистые (С=0,3…0,7%) и высокоуглеродистые (С>0,7%).

По качественным показателям углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного качества, которые в зависимости от содержания углерода обозначаются Ст1, Ст2, Ст3 и т.д., и на качественные стали с обозначением их 08, 15, 20, 30 и т.д.

Углеродистые стали обыкновенного качества выпускаются в виде листов, прутков, балок и различных профилей в нормализованном состоянии. В зависимости от назначения эта сталь поставляется с гарантируемыми механическими свойствами (группа А); химическим составом (группа Б); механическими свойствами и химическим составом (группа В).

Углеродистые стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст и порядковыми номерами от 0 до 6. Для сталей групп Б и В добавляют соответствующую букву перед обозначением марки, например: БСт2, ВСт3 и т.д. Степень раскисления обозначают добавлением индексов: спокойная сталь – сп, полуспокойная - пс, кипящая – кп. Например Ст3кп, Ст3пс, БСт3сп. Буква Г в обозначении марки стали указывает на повышенное содержание марганца.

Способ выплавки сталей обозначают индексами: М – мартеновская, К – кислородно-конвертерная.

Сталь всех групп с номерами марок 1, 2, 3 и 4 производят кипящей полуспокойной и спокойной, с номерами 5 и 6 – полуспокойной и спокойной. Стали марок Ст0и БСт0 по степени раскисления не разделяют.

Из углеродистых сталей обыкновенного качества изготовляются строительные конструкции, крепежные детали, листовой и профильный прокат, трубы, арматура, проволока, фитинги (муфты, угольники, тройник, пробки-заглушки, ниппели) и др.

Качественные углеродистые стали производят в мартеновских печах или электропечах. По степени раскисления их делят на спокойные, полуспокойные и кипящие.

В обозначении марок качественных углеродистых сталей первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буква Г – повышенное содержание марганца (около 1%). В зависимости от содержания марганца стали изготовляют двух групп. Группа 1 – с нормальным содержанием марганца (08кп, 20, 75), группа 2 – с повышенным содержанием марганца (30Г, 65Г).

Инструментальные углеродистые стали содержат от 0,66 до 1,34% углерода и до 0,58% марганца. Они бывают качественные и высококачественные (с пониженным содержанием серы и фосфора). Буквы и цифры в обозначении марок стали означают: У – углеродистая, затем цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г – повышенная массовая доля марганца: например, сталь У7 содержит 0,7% углерода, сталь У13А – 1,3% углерода, А – высококачественная.

Из сталей У7, У8, У8А изготовляют зубила, штампованную оснастку, молотки, ножи, метчики, отвертки и другие изделия, которые подвергаются ударным нагрузкам. Из сталей с более высоким содержанием углерода (У10, У11, У10А, У12А, У13А) изготовляют напильники, надфили, фрезы развертки, плашки, ножовочные полотна (для ручных пил), рашпили и шаберы.

К углеродистым сталям специального назначения относят низкоуглеродистые стали (электротехнические) с содержанием углерода не более 0,25% (Э11, Э22, Э43 и др.), автоматные стали (А12, А20, А40Г, А30), стали для глубокой вытяжки с содержанием углерода не более 0,2%. Буквы и цифры в марках электротехнических сталей обозначают: Э – электротехническая, первая цифра – степень легирования кремнием, вторая цифра – гарантирование электротехнических и магнитных свойств.

Во всех автоматных сталях буква А означает – автоматная сталь, цифра – среднее значение углерода в сотых долях процента, буква Г – содержание марганца от 0,25 до 0,45%.

Легированные стали классифицируют в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. Низколегированные стали имеют суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%, среднелегированные – от 2,5 до 10%, а высоколегированные – более 10%. В качестве легирующих элементов используют кремний, марганец, хром, вольфрам, никель, молибден, медь, титан.

Среднелегированные стали делятся на конструкционные легированные, инструментальные стали и стали специального назначения. Конструкционные легированные стали содержат до 0,5% углерода и делятся на качественные и высококачественные. Высококачественные конструкционные легированные стали отличаются от качественных сталей пониженным содержанием фосфора и серы. Конструкционные легированные стали выпускаются по ГОСТ 4543-71 в виде проката, слитков, поковок, штамповок.

В зависимости от химического состава и свойств конструкционные стали делятся на три категории: качественные, высококачественные с обозначением буквой А и особовысококачественные с обозначением буквой Ш (сталь электрошлакового переплава).

В зависимости от основных легирующих элементов стали делятся на группы. Всего 13 групп таких сталей. Наиболее широко в машиностроении применяются:

1. Хромистые стали марок 15Х, 15ХА, 20Х, 30Х, 30ХРА, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Х с содержанием углерода 0,12 – 0,54%, кремния 0,17 – 0,37%, марганца 0,40 – 0,80%, хрома 0,70 – 1,30%;

2. Марганцовистые стали марок 15Г, 20Г, 25Г, 30Г, 35Г, 40Г, 10Г2, 35Г2, 40Г2 и др. с содержанием углерода 0,12 – 0,56%, кремния 0,17 – 0,37%, марганца 0,70 – 1,80%;

3. Хромомарганцевые стали марок 18ХГ, 18ХГТ, 27ХГР, 30ХГТ, 35ХГФ, 25ХГМ и др. с содержанием углерода 0,15 – 0,45%, кремния 0,17 – 0,37%, марганца 0,70 – 1,25%, хрома 0,40 – 1,30%;

4. Хромокремнистые стали марок 33ХС, 38ХС, 40ХС с содержанием углерода 0,29 – 0,45%, кремния 1,00 – 1,60%, марганца 0,30 - 0,60%, хрома 1,30 – 1,60%;

5. Хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые стали марок 15ХМ, 20ХМ, 30ХМА, 40ХМФА и др. с содержан6ием углерода 0,11 – 0,44%, марганца 0,30 – 0,70%, хрома 0,80 – 2,70%, молибдена 0,15 – 0,55%;

6. Хромованадиевые стали марок 15ХФ и 40ХФА с содержанием углерода 0,12 – 0,18% и 0,37 – 0,44% соответственно, кремния 0,17 – 0,37%, марганца 0,40 – 0,80%, хрома 0,80 – 1,10% и ванадия 0,06 – 0,12% и 0,10 – 0,18% соответственно;

7. Никельмолибденовые стали марок 15Н2М, 20Н2М с содержанием углерода 0,10 – 0,18% и 0,17 – 0,25% соответственно, кремния 0,17 – 0,37%, марганца 0,40 – 0,70% , никеля 1,50 – 1,90%, молибдена 0,20 – 0,30%;

8. Хромоникелевые и хромоникелевые с бором стали марок 20ХН, 40ХН, 45ХН, 50ХН, 12Х2Н4А, 30ХН3А и др. с содержанием углерода 0,09 – 0,45%, кремния 0,17 – 0,37%, марганца 0,30 – 0,80%, хрома 0,40 – 1,65%, никеля 0,80 – 3,65%;

9. Хромомарганцевые и хромокремнемарганцевоникелевые стали марок 20ХГСА, 30ХГС, 35ХГСА, 30ХГСА и др. с содержанием углерода 0,17 – 0,39%, кремния 0,90 – 1,40%, марганца 0,80 – 1,30%, хрома 0,80 – 1,40%, а в стали 30ХГСН2А – хрома 1,40 – 1,80%.