Черные металлы

К черным металлам относятся железо и его сплавы: сталь и чугун. Черные металлы применяют при изготов­лении деталей машин, зданий и сооружений. Уровень производства черных металлов является одним из важ­нейших показателей развития народного хозяйства.

Чугун вырабатывается в доменных печах. Исходным (сырьевым) материалом для получения чугуна служат железная руда, топливо и флюсы.

Железная руда состоит из рудного вещества (соеди­нения железа с кислородом) и пустой породы (песок, глина и т. д.). Главнейшими рудами являются: магнит­ный железняк- руда черного цвета, обладающая маг­нитными свойствами, с содержанием железа 56...72 %; красный железняк- руда красного цвета с содержани­ем железа 40..65 %; бурый железняк- руда буро-жел­того цвета с содержанием железа 25...60 %

Флюсы- материалы, способствующие превращению в шлак пустой породы и золы топлива. В качестве флю­са в доменных печах применяют известняк. Кроме указанных материалов, в доменную печь по­дается большое количество воздуха, необходимого для горения топлива. Топливом для доменной плавки служит чаще всего кокс. Для получения легированных чугунов используют древесный уголь.

Устройство доменной печи. Современная доменная печь (рис. 3.1) представляет собой сооружение высотой до 35 и диаметром 7... 10 м. Снаружи доменная печь за­щищена стальным кожухом, а внутри выложена толстым слоем огнеупорного кирпича.

Верхняя часть печи, в которую загружают исходные материалы, называется колошником. К колошнику при­креплены трубы для отвода доменного газа. Ниже ко­лошника расположена самая высокая, расширяющаяся книзу часть,- шихта, заканчивающаяся распаром - наиболее широкой частью печи. Под распаром находят­ся заплечики - конусная часть, сужающаяся книзу. Вни­зу расположен горн. В верхней части горна имеются отверстия, через которые по специальным трубам (фур­мам) в печь поступает дутье. В нижней части горна для выпуска расплавленного чугуна устроено отверстие (летка), а несколько выше имеется два отверстия для выпуска шлака. Нижняя часть горна называется металлоприемником, а дно - лещадью (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема доменной печи 1-загрузочное устрой, 2-колошник, 3-флюс, 4-руда, 5-топливо,

6-шихта, 7-распар, 8-заплечник, 9-горн,

10- ле­щадь

Доменные печи работают по принципу противотока: сырые, исходные материалы загружаются сверху и по­степенно опускаются вниз, а образовавшиеся в нижней части печи горячие газы поднимаются вверх.

Загружаемые в печь поочередными слоями топливо, руда и флюсы попадают в верхнюю часть шахты, где при температуре 200...400°С нагреваются и подсыхают.

В центральной части шахты при температуре 400...800°С происходит восстановление железа прямым и косвенным путем. Прямое восстановление осуществля­ется при помощи твердого углерода - кокса, который от­нимает у окислов железа кислород, в результате чего по­лучается оксид углерода СО и некоторое количество диоксида С0₂. Эти реакции совершаются в зоне наивыс­шей температуры, т. е. вблизи фурм-отверстий, через которые подается кислород. Оксид углерода с потоком воздуха поднимается вверх и продолжает восстанови­тельную деятельность, превращаясь в диоксид углерода. Этот процесс называется косвенным восстановлением. В доменном процессе он играет решающую роль. По ме­ре опускания вниз восстановленное железо нагревается до 900...1000 °С и растворяет в себе углерод, кремний, марганец, фосфор и серу.

При дальнейшем опускании вниз в плавильном поясе печи железо насыщается угле­родом (до 5...6 %) и превращается в чугун. Последний, расплавляясь, стекает крупными каплями вниз и скап­ливается в горне.

Чугун, применяемый в промышленности, классифици­руется в зависимости от химического состава, назначе­ния, структуры и технологии получения.

Вид получаемого чугуна и его свойства зависят глав­ным образом от содержания в нем примесей, а также от того, в каком состоянии находятся примеси: в виде хи­мических соединений или в свободном состоянии. В чугу­не, кроме основного элемента- железа, содержатся уг­лерод, кремний, марганец, фосфор и сера.

Углерод попадает в чугун при плавке из топлива и является наиболее важной его примесью. В зависимо­сти от химического состава и скорости охлаждения по­лученного чугуна углерод может выделяться в свободном состоянии в виде включений графита или в виде це­ментита Fe3С. Если углерод находится в чугуне в виде графита, то такой чугун имеет серый излом и называет­ся серым. Этот чугун применяют для изготовления дета­лей машин. Если углерод находится в чугуне в виде це­ментита, то чугун получается очень твердый, хрупкий и плохо обрабатывается режущим инструментом. Такой чугун имеет белый блестящий излом и называется бе­лым. Для изготовления деталей машин этот чугун почти не используют.

Кремний попадает в чугун при плавке из кварцевого песка, входящего в состав руды. Кремний способствует выделению углерода в виде графита и улучшает литей­ные свойства чугуна. Действие марганца на свойства чу­гуна противоположно действию кремния: он препятству­ет выделению углерода в виде графита и, следовательно, способствует образованию цементита. При небольшом содержании (до 1 %) марганец является полезной при­месью, так как повышает прочность чугуна. Марганец содействует удалению окислов и серы, ухудшающих ка­чество чугуна.

Фосфор представляет собой вредную примесь, прида­ющую литым заготовкам хладноломкость (хрупкость после остывания). Наряду с этим фосфор повышает жидкотекучесть расплавленного металла и поэтому в чугуне, предназначенном для фигурного литья, от которого не требуются высокие механические свойства, оказывается полезной примесью.

Сера придает чугуну плохие литейные свойства и яв­ляется в металле нежелательной примесью.

Серый чугун содержит 2,8...3,5 % углерода, 0,8...3 кремния, 0,6... 1,3 марганца, 0,2...1 фосфора и до 0,12 % серы. В сером чугуне весь углерод или его основная часть находится в свободном состоянии - в виде плас­тинчатых или шаровидных включений графита, поэтому он легко обрабатывается на металлорежущих станках. Серый чугун имеет низкую стоимость, он характеризуется хорошими литейными свойствами и высокими показате­лями прочности, поглощает вибрации и поэтому являет­ся широко распространенным машиностроительным ма­териалом. Следует отметить, что при растягивающих на­грузках серый чугун имеет меньшую, чем у стали, прочность, но хорошо работает на сжатие. Недостатком серого чугуна является хрупкость, которая не позволяет использовать его при изготовлении деталей, подвергаю­щихся ударным нагрузкам.

Отливки из серого чугуна маркируют буквами СЧ и двумя двузначными числами. Например, марка СЧ 12-28 расшифровывается так: серый чугун с прочностью при растяжении не менее 120 МН/м² (12 кгс/мм²) и пре­делом прочности при изгибе не менее 280 МН/м² (28 кгс/мм²).

Из серого чугуна отливают цилиндровые группы дви­гателей пожарных автомобилей и мотопомп, поршневые кольца, блоки выдвижных пожарных лестниц, станины кислородных насосов, корпусы газоструйных вакуум-ап­паратов. Из серого чугуна марки СЧ 12-28 изготовляют крышки пенного огнетушителя ОХП-Ю, из чугуна марки СЧ 15-32-шаровой клапан пожарного гидранта. Из серого чугуна СЧ 21-40 изготовляют поршневые кольца мотопомпы М-600, из чугуна СЧ 24-44- поршневые пальцы мотопомпы МП-800.

Корпус и крышка центробежного насоса ПН-40К, нижняя часть карбюраторов К-22И, К-124В, корпусы коробок отбора мощности и редукторов пожарных авто­мобилей также выполнены из чугуна.

В настоящее время в промышленности (на авторе­монтных заводах) применяют модифицированный высо­копрочный чугун, получаемый путем введения в расплав­ленный чугун магния. В пожарной технике из высоко­прочного чугуна изготовляют картер башенного механизма автолестниц, крышки коренных подшипников двигателя ЗМЗ-24-01 пожарных мотопомп МП-1400 и МП-1600.

Белый (передельный) чугун обладает большой твердостью, и хрупкостью, поэтому в основном идет на переплавку в сталь. Кроме того, из белого чугуна произ­водят отливки, которые подвергаются специальной обра­ботке для получения ковкого чугуна. В отдельных случаях белый чугун используют при ремонтных рабо­тах. Например, при износе зубчатых колес коробки от­бора мощности пожарных автомобилей из белого чугуна наплавляют новые зубья.

Ковкий чугун образуется путем отжига отливок из белого чугуна. Обязательными характеристиками ковких чугунов является предел прочности и относительное уд­линение, по которым их маркируют. Например, марка КЧ-37-12 расшифровывается так: ковкий чугун, предел прочности при растяжении 370 МН/м² (37 кгс/мм²), от­носительное удлинение 12 %. Отливки из этого чугуна можно править, поэтому их применяют как заменители стали при изготовлении де­талей пожарной техники.

Из ковкого чугуна изготовляют задний мост, ступицы колес, корпус коробки отбора мощности, картер рулевой передачи в пожарных автомобилях, детали газораспре­делительного механизма двигателя и т. д.

Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун чистого магния или сплава его с никелем, медью, алюминием или кремнием. Количество вводимого магния составляет 0,3... 1 % массы расплавленного ме­талла. Если кроме магния в чугун вводят также и ферро­силиций (0,6...2,2 %), то его качество становится еще лучше. Механические свойства чугуна повышают при помощи термической обработки. Модифицированием чу­гуна можно регулировать размеры и форму графитовых включений, изменяя физико-механические и технологи­ческие свойства чугуна. В качестве модификатора вводят присадки ферросилиция, силикокальция, церия и т. д. (до 0,8%). Модифицированный чугун можно применять вместо ковкого чугуна, стали и цветных металлов.

Сталь и ее получение. Основными исходными мате­риалами для получения стали являются расплавленный белый (передельный) чугун и стальной лом. Сталь отли­чается от чугуна меньшим содержанием углерода, крем­ния, марганца, фосфора и серы. Процесс получения стали из 'Чугуна заключается в уменьшении количества этих примесей. При переплавке лома процесс сводится к расплавлению твердых кусков и получению стали за­данного химического состава путем введения или окис­ления отдельных элементов.

Сталь получают в конвертерах (бессемеровских и томасовских), мартеновских и электрических (дуговых и индукционных) печах.

Конвертерный способ. При этом способе сталь полу­чают в конвертере емкостью 35...50 т. При бессемеровском способе сталь получают в бес­семеровском конвертере, который представляет собой сосуд грушевидной формы, изготовленный из клепаных листов стали. Внутри конвертер выложен огнеупорным кирпичом. Снаружи к металлическому кожуху прикреп­лен стальной литой пояс с цапфами. Одна цапфа полая, по ней в воздушную коробку, расположенную в днище конвертера, подается воздух. Для приведения конвертера в горизонтальное или вертикальное положение ко второй цапфе подведен привод от двигателя (рис. 3.2).

Перед началом процесса конвертер поворачивается в горизонтальное положение, и в него заливается рас­плавленный чугун. После заливки чугуна конвертер при­водится в вертикальное положение и в него подается воз­дух. Под действием воздуха и высокой температуры из чугуна выгорают кремний, марганец, углерод. При горе­нии этих элементов выделяется большое количество теп­лоты и температура расплавленного металла повышается с 1250 до 1750°С. Продукты горения примесей всплыва­ют на поверхность металла в виде шлаков и выделяют­ся в виде газов. Процесс превращения чугуна в сталь длится 15 мин.

На переплавку в бессемеровском процессе идет бес­семеровский чугун с 0,9...2 % кремния, 0,6...1,5 % марган­ца и практически не содержащий серу и фосфор. При бессемеровском процессе сера и фосфор из чугуна не выгорают. Для удаления фосфора необходимо применять известь, которая образует с фосфором легкоплавкое сое­динение и этим способствует удалению фосфора из чу­гуна. Однако известь разрушает динасовую футеровку бессемера и поэтому применять ее не рекомендуется.

Томасовский процесс протекает аналогично бессеме­ровскому и отличается от него тем, что из чугуна, кроме указанных элементов, выжигается фосфор. В томасовских конвертерах доломитовая футеровка позволяет при­менять известь, способствующую удалению фосфора из чугуна. Шлак, получающийся при томасовском процессе (томасшлак), является сырьем для изготовления мине­ральных удобрений, так как он богат фосфором. При то­масовском процессе применяют чугун, содержащий до: 2 % фосфора, 1,5 % марганца, 0,5 % кремния. Небольшое содержание кремния в томасовском чугуне объясняется его разрушающим действием на футеровку из доломита.

Достоинства конвертерного способа: высокая произ­водительность конвертеров; простота устройства и не­большие эксплуатационные расходы; отсутствие расходов топлива, так как процессы протекают за счет химиче­ских реакций выгорания примесей, содержащихся в чу­гуне.

Недостатками конвертерного способа являются: невоз­можность переработки вконвертерах металлического лома; большой угар металла; трудность регулирования процесса и вследствие этого сложность получения стали определенного состава; наличие в полученной стали рас­творенных газов, отрицательно влияющих на ее свойст­ва; насыщение стали азотом при атмосферном дутье (содержание азота в воздухе 78 %), хрупкость (особенно при низких температурах) и быстрое старение стали.

Применение кислородного дутья в конвертерном про­изводстве ускоряет выплавку стали, очищает металл от азота.

Мартеновский способ. При этом способе сталь полу­чают в специальных мартеновских печах (рис. 3.3).

Теплота для плавки создается в печи за счет сгора­ния газа, подаваемого в печь вместе с воздухом. Газ и воздух предварительно подогреваются в регенерато­рах. За одну плавку

Рис. 3.3. Мартеновская печь 1, 5 — головки; 2 — свод; 3 — пла­вильное пространство- 4 — под (подина); 6— каналы; 7, - реге­нераторы; 9 — загрузочные окна

мартеновские печи дают 20...500 т стали. За сутки в одной печи выполняют 2...6 плавок (одна плавка длится 3...8 ч). Длительность процесса позволяет брать пробы при варке стали и добавлять не­обходимые присадки для получения тех или иных сортов стали. При мартеновском процессе получается сталь вы­сокого качества, идущая на изготовление сложных де­талей

Получение стали в электропечах.

Сталь плавится в дуговых и индукционных электропечах. В дуговых электропечах сталь варится за счет теплоты от электри­ческой дуги, возникающей между электродами или между электродами и металлом. Температура в печи достигает 3000 °С.

Рис. 3.4. Электропечь 1-графитовые электроды; 2-ок­но загрузочное; 3- расплавляемый металл; 4 - приспособление для канала печи; 5- желоб; 6—элект­рическая дуга; 7 — кожух

.

В дуговых электропечах (рис. 3.4) сталь плавится 3...6 ч в зависимости от сорта получаемой стали. плавится в дуговых и индукционных электропечах. В дуговых электропечах сталь варится за счет теплоты от электри­ческой дуги, возникающей между электродами или между электродами и металлом. Температура в печи достигает 3000 °С. В дуговых электропечах (рис. 3.4) сталь плавится 3...6 ч в зависимости от сорта получаемой стали.

Высокое качество стали, получаемой в дуговой печи, объясняется сильным нагревом металла и длительной выдержкой стали в печи, что позволяет ей освободиться от газов и вредных примесей (серы, фосфора). В дуго­вых печах получают специальные стали, содержащие ту­гоплавкие элементы (вольфрам, молибден). Наиболее часто электроплавку применяют для получения легиро­ванных сталей, содержащих никель, хром и другие спе­циальные элементы, так как эти ценные элементы не выгорают в электропечах и положительно влияют на свойства стали.

Плавка в индукционных электропечах более прогрес­сивна по сравнению с плавкой в дуговых печах. В индук­ционных печах металл нагревается за счет возникновения в нем индукционного тока от индуктора- трубчатой спирали, размещенной по периметру печи.

Перспективным методом резкого улучшения качества выплавляемых металлов является вакуумирование жид­кой стали- кратковременная выдержка ее при пони­женном атмосферном давлении. Сущность этого метода заключается в следующем. Многотонный ковш, запол­ненный жидкой сталью, только что слитой из печи, ста­вят в камеру-колодец. Колодец закрывают плотной крышкой и включают насосы, откачивающие воздух. Че­рез несколько минут в колодце понижается давление, от чего жидкая сталь начинает бурлить, из нее выходят вредные газы, всплывают примеси.

Вакуумная обработка жидкой стали позволяет полу­чить сталь высокого качества.

Классификация, маркировка и характеристика сталей.

Применяемые вмашиностроении и пожарной технике стали по химическому составу и подразделяются на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали содержат в своем составе железо, углерод и небольшое количество обычных примесей (марганец, кремний, фосфор, серу).

Легированные стали содержат еще и специально введенные при плавке легирующие элементы: хром, ни­кель, вольфрам и др. К легирующим примесям относят­ся и обычные примеси - марганец и кремний, если их вводят в сталь в повышенных количествах (более 1 %). Названия сталям принято давать по входящим легирую­щим элементам: никелевая, хромистая, хромоникелевая и т. д.

В зависимости от области применения стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные. По качеству бывают обыкновенные, качественные и высококачественные.

Качество стали оп­ределяется ее чистотой (малое содержание - вредных примесей, шлака) и отсутствием дефектов (газовые ра­ковины, трещины), что зависит от процесса выплавки, разливки и последующей обработки стали на металлур­гических заводах.

Углеродистые стали. В углеродистых сталях содер­жится 0.05... 1,4% углерода, 0,25...0,75 марганца, 0,03...0,5 кремния, до 0,05 фосфора и 0,055 % серы. Для ответственных деталей содержание серы понижается до 0,02..,0,03 %.

При небольшом содержании углерода сталь мягкая, вязкая, хорошо куется и сваривается. С увеличением со­держания углерода повышаются твердость и прочности стали, улучшаются ее литейные свойства, но вместе с тем повышается хрупкость, ухудшаются свариваемость и ковкость.

Марганец повышает прочность и износостойкость ста­ли и уменьшает вредное влияние серы. Кремний способствует получению более однородной и плотной структуры. Фосфор является вредной примесью, так как придает стали хрупкость, а в холодном состоянии - хладнолом­кость. Сера - вредная примесь, так как делает сталь хрупкой в горячем состоянии.

Конструкционные углеродистые или машинострои­тельные стали содержат 0,05. 0,55 % углерода. Они бы­вают обыкновенного качества и качественные.

Марки конструкционных сталей обыкновенного каче­ства по стандарту обозначают буквами Ст (сокращенное слово «сталь»), после которых ставят цифры 0, 1, 2, 3 и до 7. С увеличением номера возрастают предел прочности и содержание углерода в стали, уменьшается ее пластичность.

Из конструкционных сталей обыкновенного качества изготовляют сортовой и листовой прокат, заклепки, бол­ты, проволоки, трубы и детали машин. В пожарной тех­нике из стали СтЗ и Ст4 делают крюки штурмовых по­жарных лестниц, насадные пожарные багры, из стали Ст4 - вал электродымососа, скобы, упоры, башмаки ручных пожарных лестниц; из стали Ст5 и Ст7- пожар­ные ломы и т. д.

Качественные конструкционные углеродистые стали подразделяются по стандарту на марки. Марки сталей обозначают двухзначным числом, указывающим на сред­нее содержание углерода в сотых долях процента. На­пример, марка стали Ст08 обозначает углеродистую ка­чественную сталь с содержанием 0,08 % углерода, Ст15 - сталь с содержанием 0,15 % углерода. Качественные углеродистые стали отличаются от сталей обыкновенного качества более высокими механи­ческими свойствами, меньшим содержанием вредных примесей, а поэтому более высокой стойкостью.

В пожарной технике из качественных конструкцион­ных углеродистых сталей изготовляют металлические части ручных пожарных лестниц (Ст30); валы пожарных насосов, валики коробок отбора мощности, распредели­тельные валы двигателей пожарных автомобилей (Ст40); пожарные крюки и рабочие части цельнометаллических пожарных багров (Ст40 и Ст45); шатуны двигателей пожарных автомобилей (Ст40А); ведущий, ведомый и промежуточный валы редуктора пожарных автомоби­лей и т. д.

Из листовой качественной углеродистой стали изго­товлен корпус пенного огнетушителя ОХИ-10.

Инструментальные углеродистые стали содержат 0,7... 1,4% углерода Инструментальные углеродистые стали обозначают буквой У и цифрами, указывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, марка У12А обозначает углеродистую сталь с содержанием 1,2 % углерода. Буква А в конце марки стали указывает на высокое качество стали. Инструмен­тальные стали применяют при изготовлении ударных, ре­жущих и измерительных инструментов. Ударные инстру­менты должны обладать высокой твердостью и вяз­костью, износостойкостью. Режущие инструменты должны иметь большую, чем у ударных инструментов, твердость, малую вязкость и хорошие режущие свойства при повышенных температурах нагрева.

В пожарной технике из инструментальной стали У7 изготовляют пожарные топоры.

Легированные стали в зависимости от марки и назна­чения содержат до:1,5 % углерода, 68 никеля, 27 хрома, 20 вольфрама, 6 молибдена, 2,6 ванадия, 14 марганца, 20 % кремния и другие элементы. Входящие в состав стали легирующие элементы оказывают различное влия­ние на свойства стали. Так, хром повышает твердость, прочность, сопротивление коррозии, обеспечивает устой­чивость магнитных свойств. Вольфрам повышает проч­ность, твердость, препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске. Молиб­ден измельчает зерно, повышает упругость увеличивает предел прочности на растяжение, повышает антикорро­зионные свойства. Ванадий измельчает зерно, повышает прочность и твердость стали. Марганец повышает твер­дость, износостойкость и увеличивает стойкость против Ударных нагрузок, не уменьшая пластичности. Никель повышает прочность, вязкость, упругость, улучшает прокаливаемость стали при термической обработке. Кроме того, никель повышает электросопротивление и понижает коэффициент линейного расширения стали. Кремний способствует получению более однородной и плотной структуры и повышает упругие свойства стали, а при высоком содержании (12...20%) придает стали кислото­упорность.

Легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментаьные и стали с особыми свойствами.

Конструкционные легированные стали содержат до 0,55% углерода и в небольших количествах (до 5%) легирующие элементы. Легированные конструкционные стали применяют в машиностроении и пожарной техни­ке для изготовления ответственных деталей, от которых требуется высокая прочность в сочетании с вязкостью.

Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами, которые указывают на химический состав стали. При этом первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента; следующие буквы указывают на наличие легирующих элементов, а цифры, стоящие за этими буквами, — сред­нее содержание элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента менее 1 %, то цифру после буквы не ставят.

Для легирующих элементов приняты следующие бук­венные обозначения:

Н- никель К - кобальт Д- медь

X - хром С - кремний Т - титан

В- вольфрам М- молибден Ю - алюминий

Ф - ванадий Г- марганец

Например, марка 20ХА — это название конструкци­онной хромистой стали повышенного качества, содержа­щую около 0,20 % углерода и 0,7...1 % хрома. Буква А обозначает, что сталь высококачественная.

Буквенные обозначения расшифровывают так: Э-электротехническая, Р- быстро-режущая, Ш- шарикоподшипниковая, Е- магнитна

В пожарной технике наиболее часто применяют: хромистую сталь для изготовления шпинделя и его опорной гайки в пожарном гидранте. Из стали 15Х дела­ют поршневые пальцы двигателей пожарных мотопомп М-600, МП-800 и двигателей пожарных автомобилей; из стали 40Х- впускные клапаны двигателей полуоси, шлицевые части карданных валов пожарных автомобилей; из стали 20Х — ведомый вал коробки отбора мощности автомобилей и другие детали;

хромоникелевую сталь для изготовления зубчатых передач ручного пожарного электроинструмента. Из ста­ли 12ХНЗ делают шестерни в редукторах ручного меха­низированного инструмента. Сталь 12ХНЗА идет на из­готовление шестерен коробки отбора мощности, которую устанавливают на пожарных автомобилях на шасси МАЗ, КрАЗ, «Урал»;

никель-алюминиевую сталь (Fe—60%, Ni—25%, А1—15%), из которой изготовляют постоянный магнит магнето пожарной мотопомпы. Эта сталь обладает свой­ством хорошо намагничиваться и противостоять размаг­ничиванию.

Из стали 18ХГТ с последующей закалкой изготовля­ют шестерни, первичный и вторичный валы коробок от­бора мощности автомобилей, редукторов, оси заслонок газоструйных вакуум-аппаратов.

Инструментальные легированные стали содержат до 1,5 % углерода значительное количество легирующих элементов и предназначены для изготовления ударного, режущего и измерительного инструментов.

Легированные инструментальные стали маркируют аналогично легированным конструкционным сталям, но -среднее содержание углерода указывают в десятых долях процента, если его содержание не превышает 0,9, или вовсе не указывают, если содержание углерода около или более 1 %. Быстрорежущие стали маркируют бук­вой Р и цифрами, указывающими среднее содержание вольфрама.

Особенностью легированных- инструментальных ста­лей является присутствие в их структуре очень твёрдых карбидов хрома, вольфрама, молибдена и ванадия, которые повышают твердость и хрупкость стали, но вместе с тем улучшают режущие свойства, а также стойкость стали при нагревании инструмента в процессе ра­боты.

Режущий инструмент, предназначенный для работы в условиях больших скоростей резания, делают из сталей с особо высоким содержанием легирующих элементов (вольфрама, хрома, ванадия). Быстрорежущие стали со­храняют твердость и режущую способность при нагре­вании до 600 °С.

Специальные легированные стали отличаются высо­ким содержанием легирующих элементов и обладают особыми физико-химическими и эксплуатационными свойствами.

Нержавеющие стали не окисляются на воздухе, не разъедаются кислотами и растворами солей. Антикорро­зионные свойства нержавеющих сталей объясняются влиянием хрома и никеля, а также улучшением структуры стали и ее свойств при термической обра­ботке.

Нержавеющая хромоникелевая сталь с 9 % никеля противостоит кавитационной эрозии и применяется для изготовления деталей насосов. В настоящее время разра­ботана новая марка аустенитной хромомарганцевой ста­ли, кавитационная стойкость которой в 3...5 раз больше, чем у хромоникелевой стали.

Жаропрочные стали обладают способностью сохра­нять механические свойства при воздействии высоких температур. Жаропрочность в сталях обеспечивается ком­плексным влиянием хрома, кремния и никеля.

Таким образом, в машиностроении и пожарной тех­нике применяют большое количество сталей, обладающих разнообразными свойствами. При выборе марки стали для изготовления конкретных деталей необходимо исхо­дить из требований, предъявляемых к ним условиями эксплуатации.

Общие сведения о литейном производстве. Распрост­раненным и экономичным способом изготовления изде­лий из металлов является литье. Так, в пожарной технике около 6О % по массе занимают литые детали: корпусы, рабочие колеса, крыши и напорные штуцеры центро­бежных пожарных насосов, корпусы пеногенераторов, пеносмесителей и разветвлений, крышки огнетушителей и т. д.

Сущность процесса литья состоит в том, что расплав­ленный металл или сплав заливают в специальные фор­мы. После застывания металл приобретает размеры и очертания, близкие к форме, в которую был залит. Не­смотря на то, что все металлы и сплавы в той или иной степени пригодны для литья, они должны обладать не­обходимыми свойствами: жидкотекучестью, незначитель­ной усадкой, малой газопоглощаемостью, не слишком вы­сокой температурой плавления. Кроме того, отливка по своей структуре должна быть более однородной.

Жидкотекучесть- это способность металла заполнять литейную форму. Жидкотекучесть зависит от химического состава сплава и степени нагрева его при заливке. Железоуглеродистые сплавы с большим содер­жанием углерода, кремния и фосфора, кремнистая латунь и силумин хорошо заполняют форму. Значительно влияет на жидкотекучесть наличие в сплавах серы и хрома. Не­достаточной жидкотекучестью отличаются медь и алю­миний.

Усадка- изменение линейных размеров и объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое. Линейная усадк а обычно сопровождается образованием трещин на поверхности металла, а объемная усадка при­водит к возникновению внутренних раковин. Величина усадки зависит от химического состава сплава, скорости его охлаждения в форме и температуры заливаемого ме­талла. Наименьшей усадкой обладают серый чугун и си­лумин. Усадка чугунных отливок уменьшается, если уве­личить в чугуне содержание графита. Наибольшую усад­ку имеют алюминиевые бронзы и чистые металлы. Ли­нейная усадка чугунов составляет 0,5...2 %, стали углеродистой 1,5...2 %, бронзы оловянной, латуни 1...1.5 %.

Для того чтобы предотвратить образование усадоч­ных раковин, устанавливают специальные утепленные керамические надставки (прибыли) над теми местами отливки в литейной форме, где они могут образоваться. Прибыли заполняют металлом при заливке формы и бла­годаря этим мерам усадочную раковину переводят в зо­ну прибыли.

Газопоглощаемость- способность сплава в жидком состоянии растворять газы (водород, кислород, азот, ок­сид углерода). При незначительной газопоглощаемости отливка будет плотной без внутренних пустот и газовых пузырей.

Для уменьшения газопоглощаемости и удаления газо­вых пузырей рекомендуется добавлять в жидкий сплав специальные раскислители: ферросилиций, ферроалюми­ний, силикокальций.

Температура плавления в современных промышлен­ных плавильных печах достигает 1700... 1800 °С. В таких печах могут плавиться металлы и сплавы, температура плавления которых ниже 1700 °С: железо, сталь, чугун, медь, бронза, латунь, алюминий и др. Тугоплавкие ме­таллы, такие как титан, молибден, вольфрам, плавятся только в высокотемпературных печах.

Неоднородность состава и структуры отливок. Литей­ные сплавы при остывании отливок склонны к ликвации. Ликвация- неоднородность химического состава в от­дельных частях отливки (зональная ликвация) и в от­дельных кристаллитах сплава (внутрикристаллитная лик­вация). Ликвация может быть и при большой разности плотностей составляющих сплава (ликвация по плотно­сти). Практически для большинства сплавов наиболее важной является зональная ликвация, которая получает­ся от неодинаковых плотностей составляющих сплава и различных температур его затвердения. Наилучшими литейными сплавами являются чугуны, которые часто используют при изготовлении пожарной техники.

Для деталей малой и средней прочности применяют отливки из серого чугуна марки СЧ 12-28 или СЧ 15-32. Из этих чугунов отливают крышки пенных огнетушите­лей ОХП-Ю и ОП-М. Из серого чугуна СЧ 18-36 изготов­ляют корпус центробежного пожарного насоса и крыш­ку корпуса, рабочее колесо насосов ПН-ЗОКФ, ПН-110 и ПН-40У. Из чугуна К.Ч 30-6 отливают ключи К-80 и К-150 для соединительных головок пожарного оборудо­вания. Из ковкого чугуна делают картер редуктора, кор­пус коробки отбора мощности, задний мост для пожар­ного автомобиля и др.

По сравнению с чугуном сталь обладает более низки­ми литейными свойствами, у нее выше температура плав­ления, меньше жидкотекучесть, она имеет большую усад­ку. Вместе с тем стальные отливки по пластичности и ударной вязкости превосходят чугунные.

При изготовлении пожарной техники кроме чугуна и стали используют для отливок цветные металлы: медь, алюминий, олово, цинк, свинец, магний, а также сплавы на их основе.

При изготовлении втулок подшипников используют литейные латуни. Из бронзы отливают рабочие колеса ряда центробежных пожарных насосов. Вкладыши под­шипников и рабочие колеса насосов, используемых для подачи морской воды, изготовляют из специальной бронзы.

Рис. 3.5. Схема формовки бло­ка с отверстием а — модель блока; С — формовка в нижней опоке; а — формовка в верхней опоке; г — собранная фор­ма а) в) г)

Высокой жидкотекучестью и малой усадкой обладают силумины — сплавы на основе алюминия, кремния, меди, магния и цинка

. Из этого сплава получают отливки слож­ной конфигурации: корпус, крышку, рабочее колесо цен­тробежного пожарного насоса и других насосов. Из спла­вов АЛ9 или АЛ-9В отливают корпус тройника водосбор­ника, корпус разветвления и многие детали пожарных мотопомп Технологический процесс литейного производ­ства (рис. З.5).

Литье в земляные формы. Сначала по чертежу изготовляют модель деревянную разъемную. Размеры модели делают больше размеров отливки на величину линейной усадки плюс припуск на механическую обработку. Ли­тейные формы изготовляют из формовочной смеси, со­стоящей из песка, глины, камнеугольной пыли и других добавок. Формовочная смесь должна быть пластичной, огнеупорной, газопроницаемой. Процесс формовки за­ключается в следующем. Одну половину модели устанав­ливают на подмодельную доску. На эту же доску ставят раму-опоку, засыпают ее формовочной смесью и утрам­бовывают. Затем раму поворачивают так, чтобы модель оказалась вверху. На заформованную половину модели накладывают ее вторую половину и формуют верхнюю опоку. Одновременно устанавливают модель шлакоулови­теля, литника и выпора.

После разъема опок в верхней опоке прорезают канал шлакоуловителя, а в нижней- канал питателя и удаля­ют модель.

В полость формы помещают стержень, от которого в отливке образуется отверстие. Опоки складывают и скрепляют между собой. В подготовленную форму за­ливают жидкий металл. После того как отливка остыва­ет, ее выбивают из формы, обрубают литники и выпоры. Отливку очищают струей песка и подвергают дальней­шей обработке.

Несмотря на широкое применение литья в земляные формы, этот технологически процесс имеет недостатки: размеры отливок недостаточно точны, отливки имеют большие припуски, поверхность отливок грубая и шеро­ховатая.

При массовом изготовлении деталей методом литья применяют постоянные формы из металла- кокили. Эти формы разъемные, при необходимости перед залив­кой в них устанавливают стержни. При кокильном литье не требуется формовочная смесь, кокиль выдерживает до 700 отливок, уменьшается припуск на обработку, поверх­ность отливок получается чистой, улучшаются условия работы и в 3...4 раза повышается производительность труда. Однако, несмотря на явные преимущества кокиль­ного литья перед литьем в земляных формах, в кокилях невозможно отливать детали сложной формы и боль­ших размеров.

Существуют и другие способы литья: литье под дав­лением, центробежное литы, по выплавляемым моделям и литье в оболочковые формы.

Литье под давлением позволяет получить отливки 4-го и 5-го классов точности. Пресс-форму для отливки изго­товляют из жаропрочной стали. Жидкий металл из пресс- камеры нагнетают в форму Воздух из формы выходит из очень тонких каналов в полости разъема формы; ме­талл в эти полости не просачивается даже под давлением. Отливки поступают на сбору без последующей метал­лической обработки. Литье под давлением получают мелкие отливки, в основном из сплавов на основе алюми­ния, магния, цинка, свинца и олова.

Центробежное литье применяют для изготовления втулок, вкладышей подшипников, труб и других изделий. Сущность этого способа состоит в том, что в металличе­скую форму заливают жидкий металл и приводят ее во вращение. Под действием центробежной силы металл растекается ровным слоем по окружности формы на всю длину. Отливка получается плотной, без литейных де­фектов.

Для изготовления мелких деталей из металлов и спла­вов, трудно поддающихся механической обработке, при­меняют точное литье по выплавляемым моделям из пара­фина и стеарина. Модели собирают в блоки, присоединяя их к общему восковому литнику. Собранный блок опуска­ют в облицовочный жидкий состав, состоящий из огне­упорной основы (кварцевая мука и связующий раствор), жидкого стекла или этилсиликата. Затем модель посыпа­ют корундовым или кварцевым песком. Операции повто­ряют 2...3 раза. Подготовленный блок моделей высуши­вают на воздухе, после чего заформовывают в опоке и прогревают до 120...170°С. При этом модели из парафи­на и стеарина выплавляются, образуя в форме полости, соответствующие очертаниям отливки. После прокали­вания при температуре 800...850°С форма подготовлена для заливки металлом. Полученную форму часто исполь­зуют для центробежного литья.