Общие сведения. Металлы — наиболее распространенные и используемые материалы в деятельности человека. Их отличают высокая прочность, способность к значительным пластическим

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Металлы — наиболее распространенные и используемые материалы в деятельности человека. Их отличают высокая прочность, способность к значительным пластическим деформациям, что позволяет об­рабатывать их давлением (прокатка, ковка и т.п.), хорошие ли­тейные свойства, свариваемость и т. д. Первыми плавильными агрегатами для получения железа из руд были неглубокие земляные ямы (горны), в которые за­гружали железную руду и древесный уголь. При переплавке руды она превращалась в сыродутное железо в виде комков (же­лезных криц), после чего подвергалась ковке. В XIII—XIV вв. нашей эры сыродутные горны заменили круглыми шахтными печами —домницами. В них развивались более высокие темпе­ратуры и происходило насыщение железа углеродом. В результате в нижней части домницы получался жидкий металл — чу­гун. Из него затем получали простые отливки (плиты, шары и т.д.). Примерно в середине XIV в. стали перерабатывать хрупкий чугун в ковкий и прочный металл — сталь, выжигая углерод из жидкого чугуна в так называемых кричных горнах, которые впос­ледствии были заменены более совершенными способами пе­редела чугуна, такими как пудлинговый, бессемеровский, томасовский, мартеновский. Последние три вместе с разработанным в середине XX в. кислородно-конверторным являются основ­ными способами производства стали в настоящее время.

К черным металлам относятся чугуны и стали, представляющие собой сплавы железа с углеродом, в состав которых входят еще и кремний, марганец, сера и другие элементы.

Чугун — железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2%. В состав его также входят кремний, марганец, фосфор и сера. Чугун выплавляется в доменных печах из железных руд. Исходными материалами для его получения кроме руды служат топливо и флюсы.

Железная руда представляет собой горную породу, в которой содержатся соединения железа и примеси других элементов. Чугун получают из красного, бурого и магнитного железняков.

В качестве топлива используют главным образом каменно-угольный кокс. Флюсы применяют для отделения от железной руды пустой породы (оксиды кремнезема, кальция, марганца), которая, способствуя образованию шлаков, оказывает вредное влияние на процесс выплавки чугуна.

В чугуне углерод содержится в свободном состоянии в виде графита или в связанном состоянии в виде карбида железа или цементита.

Чугуны, в которых углерод находится в виде графита, имеют в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Они хорошо обрабатываются режущим инструментом, имеют высокие литейные качества, относительно невысокую температуру плавления (1100—1200°С), небольшую усадку (1%) и применяются для изготовления многих деталей машин и механизмов. Эти чугуны называются серыми или литейными.

Чугуны, в которых углерод содержится только в виде химического соединения с железом, имеют в изломе белый цвет. Они плохо обрабатываются режущим инструментом и обычно используются для получения стали. Эти чугуны называются белыми или передельными. Кроме белого и серого чугунов для отливки деталей в тракторной, автомобильной и других отраслях промышленности употребляется еще и так называемый ковкий чугун, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950—1000°С. При этом чрезмерная хрупкость в твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун, как и серый, не куется, а название «ковкий» указывает лишь на значительную его пластичность.

Для повышения прочности чугуны легируют, т. е. вводят в их состав никель, хром, молибден, медь и другие элементы (легированный чугун), а также модифицируют, т.е. добавляют магний, алюминий, кальций, кремний (модифицированный чугун).

Наибольшее применение получили чугуны следующих марок: отливки из серого чугуна: СЧ-10, СЧ-15, СЧ-18, СЧ-20 и др. (ГОСТ 1412—79); отливки из ковкого чугуна: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12 и др. (ГОСТ 1215—79).

Буквы и цифры марок чугуна обозначают: СЧ — серый чугун, КЧ — ковкий чугун.