Особенности и маркировка железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистые сплавы — соединения на основе железа и углерода. Первый выступает главным компонентом, а второй второстепенным. Также в составе присутствуют сторонние примеси — марганец, кремний, фосфор, сера. Эти соединения применяются в разных сферах промышленности.

Общие сведения

Железоуглеродистые сплавы — группа соединений на основе железа, насыщаемые дополнительными компонентами, главным из которых является углерод.

Сферы применения:

1. Сборка промышленного оборудования, машин, кораблей, самолетов, разных механизмов.
2. Изготовление инструментов для обработки дерева, металла, бетона, пластика.
3. Сборка металлоконструкций.

Железоуглеродистые сплавы делятся на 2 больших группы:

1. Сталь. Соединение углерода и железа. Массовая доля углерода может достигать 2,14% от общего количества. Чаще его содержание не превышает 1,5% от общей массы. Углеродистые стали — прочный, ковкий, деформируемый конструкционный материал.
2. Чугун. Сплав на основе углерода и железа. Содержание первого компонента может достигать 6,67% от общего количества. Чаще его массовая доля не превышает 5%. Свойства материала зависят от структуры.

Виды чугуна:

1. Серый. Углерод, входящий в состав сплава, находится в виде графита. Материал хорошо поддается обработке инструментами, обладает высокими литейными свойствами.
2. Белый. Плохо обрабатывается. Большая часть углерода или весь компонент содержится в составе в виде цементита. Отличается высокой твердостью, плохой свариваемостью. Чаще применяется для получения ковкого чугуна.
3. Высокопрочный. Углерод в таком чугуне содержится в виде шаровидного графита, который образуется благодаря процессу кристаллизации. Применяется для производства деталей, на которые будут подвергаться большим нагрузкам.
4. Половинчатый. Углерод содержится в виде графита, цементита. Из него изготавливаются детали, обладающие повышенным показателем износоустойчивости.
5. Ковкий. Получается в результате отливки и термической обработки белого чугуна. Применяется для сборки сельскохозяйственной техники, автомобилей.

В отдельную группу нужно выделить специальные чугуны, второе название которых — ферросплавы. Они содержат марганец и кремний. Применяются для производства стали. С их помощью можно убрать вредную примесь, которая ухудшает технические характеристики.

Промышленное получение

Железоуглеродистые сплавы производятся металлургическими заводами из разных компонентов. Основа — железо с углеродом. Этапы производственного процесса:

1. Подготовка расходного сырья (руды). Ее сортируют по размерам кусков, химическому составу. Бедные руды обогащаются требуемыми компонентами. Пустые породы удаляются.
2. Подготовка топлива. Коксовый уголь проходит процедуру грохочения. Она нужна, чтобы удалить из топлива посторонние примеси, которые могут привести к тепловым потерям при плавке руды.
3. Подготовка флюса. Вещества, которые будет применяться для производства чугуна измельчают. При этом отсеивается мелочь, удаляются сторонние примеси.
4. Загрузка расходных материалов, руды в доменную печь. Сначала она заполняется коксом, сверху выкладывается руда, поверх нее засыпается еще один слой кокса. Внутрь вдувается разогретый воздух для поддержания температуры плавления металла. При сгорании кокса выделяется большое количество углекислого газа, который проходит через остатки кокса, образуя соединение СО. В процессе восстановления железо набирается твердости. Постепенно углерод начинает растворяться. Жидкий чугун подается к специальным ковшам, из которых разливается по формам.

Для производства чугуна применяются большие доменные печи. Их высота может достигать 30 м, а внутренний диаметр — 12 м.

Компоненты сплавов

Технические характеристики железоуглеродистых сплавов зависят от типа и количества легирующих добавок:

1. Углерод. В составе присутствуют в виде цементита, графита, карбида железа. Этот компонент вводят специально, чтобы придать материалу твердость, прочность, изменить технические характеристики в лучшую сторону.
2. Марганец, кремний. Полезные примеси, которые специально вводятся в сплав (определенная их часть попадает из руды). Они уменьшают хрупкость, твердость сплавов, повышая его прочность, износоустойчивость.
3. Фосфор, сера. Вредные примеси для железоуглеродистых сплавов. Их количество производители стараются снизить. При большом содержании этих примесей увеличивается хрупкость, твердость, ухудшаются литейные свойства, появляется усадка при охлаждении расплавленного металла.

Классификация

Сталь классифицируется по разным признакам. По химическому составу:

1. Высокоуглеродистые — более 0,65% С.
2. Среднеуглеродистые — от 0,25% до 0,65% С.
3. Низкоуглеродистые — менее 0,25% С.

По структуре:

• заэвтектоидные;
• эвтектоидные;
• доэвтектоидные;
• ледебуритные.

По назначению:

1. Инструментальные. Используются при изготовлении рабочих частей и оснастки электрических инструментов, промышленного оборудования.
2. Конструкционные. Применяются при изготовлении металлоконструкций, деталей промышленного оборудования, машин.

Маркировка

Маркировка чугуна:

1. КЧ35 — ковкий чугун с показателем прочности на растяжение не более 350 Мпа.
2. ВЧ70 — высокопрочный чугун с показателем прочности на растяжение около 700 Мпа.
3. СЧ10 — серый чугун с показателем прочности на растяжение не более 100 Мпа.

Свойства

Характеристики железоуглеродистых сплавов:

1. Плотность — до 7,9 г/см3.
2. Температура плавления — до 1520 °C.
3. Удельная теплоемкость — 462 Дж/(кг·°C) при температуре окружающей среды не более 20 °C.
4. Удельная теплота плавления — 84 кДж/кг.
5. Коэффициент теплопроводности — 30 Вт/(м·К) при температуре 100 °С.
6. Коэффициент линейного теплового расширения — 11,5·10-6 1/°C.

Железоуглеродистые сплавы производятся промышленными предприятиями. К ним относятся разные виды стали, чугуна. Они применяются в разных сферах промышленности.