Сплавы на основе железа

Что это такое? Сплавы железа – результат попыток людей изменить к лучшему характеристики изначального материала. Попыток, надо сказать, весьма успешных. Многие полученные в итоге соединения по определенным параметрам значительно превосходят свою основу.

Это какие? Сплавов железа насчитывается довольно много. Самые популярными являются, конечно, чугун и сталь. Но есть и другие, не менее полезные для цивилизации соединения: феррит, перлит, аустенит и другие…

Характеристика сплавов железа

Чистый металл имеет серебристо-серый цвет и обладает пластичностью и ковкостью. Самородные слитки, которые можно встретить в природной среде, отличаются ярко выраженным металлическим блеском и значительной твердостью. Особым качеством материала является электропроводность, позволяющая использовать его для передачи тока с помощью свободных электродов.

Железо применяют повсеместно в разных сферах производства, что объясняется свойствами материала. В неизменном виде этот металл не используют, к основе обязательно добавляют разные примеси. В процентном соотношении иные металлические добавки составляют около 0,8 %. Главные характеристики железа:

• температура плавления — 1539 градусов;
• коэффициент твердости по Бринеллю — 350–450 Мн/м2;
• удельная масса — 55,8;
• уровень плотности — 7,409 г/см3;
• теплопроводность при комнатной температуре — 74,04 Вт/(м·К);
• показатель электропроводности — 9,7·10-8 Ом·м.

На практике используют металлы с разными стабилизирующими добавками, которые делают сплав пригодным для производства деталей и конструкций.

Читайте также: «Технология сварки сталей»

Сплавом называется смесь нескольких компонентов, металлов и неметаллов, соединение которых осуществляется в жидком состоянии.

В составе веществ часто присутствуют разные примеси. Они могут быть полезными и улучшать характеристики металла, и вредными, негативно влияющими на эксплуатационные свойства сплава. Также примеси делят на специально добавленные в раствор и случайно попавшие в сплав. Добавки придают металлу необходимые механические свойства.

В результате остывания раствора формируется твердое вещество, химическое соединение или механический сплав. Первый вариант предполагает, что доминирующий компонент остается без изменений, а дополнительный включен в вещество в виде отдельных атомов.

Химическое соединение характеризуется наличием новой кристаллической решетки, где элементы образуют связи между собой. Механическая смесь представляет собой разнородный сплав, внутри которого находятся вещества с неизменными кристаллическими структурами.

В зависимости от главного элемента сплавы делят на группы. Например, сплавы железа называют черными. В группу входят стали и чугуны.

Сплавы с основой из алюминия, магния, титана и бериллия имеют относительно небольшую плотность и называются легкими. Составы на основе меди, свинца, олова называются тяжелыми цветными сплавами.

Легкоплавкие цветные металлы обязательно имеют в составе цинк, кадмий, олово, свинец, висмут. Сплавы с молибденом, ниобием, цирконием, вольфрамом, ванадием и другими относятся к тугоплавким цветным металлам.

Для производства множества изделий, элементов и конструкций чаще всего используют сплавы железа с углеродом. В специальной литературе их обычно называют железоуглеродистыми сплавами. К ним относятся стали и чугуны. Отличие одного вида металла от другого определяется величиной содержания углерода в сплаве. В сталях его доля составляет менее 2,14 %. В чугуне этот компонент превышает данный показатель.

Читайте также: «Сварочная ванна»

Такие сплавы железа, как чугун, сталь, наиболее часто используют для современной техники. Доля их производства в десять раз превышает общий объем всех остальных металлов.

Наиболее распространенные сплавы

Чугун

Чугун состоит из железа с углеродом (2 – 4,3 %) и может содержать примеси кремния (до 4,5 %), марганца (1,5 %), фосфора (до 1,5 %) и серы (0,08 %), а также легирующие компоненты (чаще всего металлы, например никель, хром, медь, алюминий), которые добавляют для получения определенных характеристик.

Чугун бывает передельный (из него делают сталь) и литейный (подходит для получения отливок). Литейные чугуны делят на несколько категорий:

1. Серые чугуны. В его состав входит углерод (графита) в пластинчатой форме. Обычно этот металл имеет графит в перлитовой структуре.
2. Пластичные чугуны, или чугуны с шаровидным графитом. Графит в них включен в виде шаров, которые получились при отливе и добавлении в раствор магния или церия. Металл пластичнее серых чугунов.
3. Белые чугуны. Состоят из твердого цементита без добавления графита. Внешний вид имеет специфический белый (светлый) блеск в изломе.
4. Ковкие чугуны. Являются результатом обработки белых чугунов. Бывают перлитовый и ферритовый типы. Также чугуны можно разделить на белосердечный, черносердечный и перлитовый. Металл более тягучий по сравнению с серыми литейными чугунами. Кроме того, ковкий чугун обладает повышенным пределом на растяжение, что в совокупности с предыдущим качеством определило широкое применение таких сплавов железа.
5. Высоколегированные чугуны. В состав сплава добавляют кремний, хром, никель или алюминий. Такие чугуны подразделяют на две большие группы: безграфитные белые чугуны и чугуны с содержанием графита. Безграфитные белые чугуны обладают высоким сопротивлением к истиранию. В другой группе графит находится в сплаве в виде шаровых или чешуйчатых включений. Эти металлы по тепловому сопротивлению сопоставимы с серыми и пластичными чугунами. Сплав успешно противостоит химическому разрушению, то есть является коррозионностойким.

Сталь

Сталь – сплав, содержащий железо с углеродом в пределах 2,14 %. При точном соблюдении заданных пропорций в ходе производства можно достичь хорошей прочности материала.

Чтобы получить требуемые характеристики, в состав добавляют разные химические компоненты. Например, есть сплав железа с хромом. Особые свойства металла достигаются также за счет термической обработки. Этот метод позволяет выпускать марки стали с повышенными магнетическими свойствами, улучшенной прочностью, коррозионной устойчивостью. Каждый вид сплава с определенными характеристиками имеет собственную маркировку, состоящую из букв и цифр.

В зависимости от содержания углерода в стали выделяют такие типы сплавов:

• малоуглеродистые;
• среднеуглеродистые;
• высокоуглеродистые.

Чтобы улучшить определенные свойства металла, используют легирующие добавки. По этому признаку выделяют три вида сталей:

• низколегированные;
• среднелегированные;
• высоколегированные сплавы с добавлением примесей до 50 %

Легированные стали используют при производстве инструментов и машинных узлов, потому что материал очень прочный, жаростойкий, не подвержен окислению, что объясняется свойствами легирующих элементов. Углеродистые стали обычно применяют в строительстве каркасных сооружений, трубопроводов и прочего.

Читайте также: «Медные сплавы»

Также существует деление сталей по степени раскисления:

1. Кипящие – обладают невысокими качествами, потому что в сплаве используется мало легирующих элементов. Для обозначения применяют буквы «КП».
2. Спокойные – прошедшие этап вредного раскисления. При производстве улучшается качество металла за счет применения более дорогостоящих технологий и добавок. Сплав имеет маркировку СП.
3. Полуспокойные – по качеству находятся между кипящими и спокойными сплавами. Обозначаются как «ПС».

В зависимости от назначения сплавы железа делятся по списку:

1. Строительные. Это высоко- или среднеуглеродистые стали. Их применяют для возведения каркасов зданий и сооружений, производства кровельных компонентов, бытовых предметов и прочего.
2. Конструкционные. В сплавах содержится маленькое количество углерода, не более 0,75 %. Их используют в отрасли машиностроения, производства транспортных средств, морских судов и других предметов.
3. Инструментальные. Низкоуглеродистые стали с небольшой долей марганца – 0,4 %. Их применяют для изготовления измерительных, штампованных, режущих инструментов.
4. Специальные. Группа состоит из металлов с особенными свойствами. Например, электротехническая сталь с заданными магнитными характеристиками, жаропрочная нержавеющая сталь и прочие металлы.

Сталь занимает главенствующее место среди материалов для производства различной продукции. Ее доля составляет 95 % всех изделий.

На данный момент о развитии государства судят по количеству использования данного металла в промышленности страны.

Более редкие сплавы

Феррит

Представляет собой твердый раствор углерода, содержание которого не больше 0,02 %, в α-железе. Феррит – это практически чистое железо. Он пластичный, но непрочный и не обладает твердостью. Подобная структура характерна для тонколистовой и низкоуглеродистой стали.

Перлит

Это механическая смесь феррита и цементита, которая формируется при распаде аустенита. Доля углерода не превышает 0,8 %. В качестве структурного элемента перлит содержится во всех сталях и чугунах.

Читайте также: «Охлаждение металла»

Аустенит

Аустенит представляет собой твердый раствор α-железа и углерода, при этом содержание углерода не превышает 2 %. Этот сплав содержит легирующие компоненты. Металл обладает высокой твердостью по сравнению с ферритом, а также хорошей пластичностью. Такие свойства сплавы железа получают благодаря термической и химико-термической обработке.

Ледебурит

Главная структура сплавов железа с углеродом. Она состоит из сочетания цементита и аустенита во время плавки, а при остывании становится смесью цементита и перлита. Ледебурит состоит на 4,3 % из углерода. Такой сплав очень твердый, но хрупкий.

Читайте также: «Высокоуглеродистая сталь»

Цементит

Металл состоит из железа и углерода в пределах 6,67 %. Сплав хрупкий, но в то же время твердый, как алмаз.

Промышленные производства используют в своей деятельности более 10 000 видов разных сплавов. Металлы с основой из железа могут претерпевать множество деформаций и изменяют свои качества под воздействием температуры и легирования дополнительными компонентами. Несмотря на такой обширный ряд имеющихся сплавов железа, разработки по поиску оптимальных характеристик под конкретные запросы производителей не прекращаются.

Методы получения сплавов на основе железа

На примере производства популярного железного сплава (чугуна) рассмотрим, каким образом получаются распространенные соединения металлов.

Используются следующие методы:

1. Прямая технология. В плавильную печь загружают окатыши железной руды, которые продувают угарным газом, смешанным с кислородом и аммиаком. Температура обработки составляет 1000 градусов.
2. Мартеновский метод. Твердый чугун проходит термическую обработку в мартеновской печи с добавлением примесей.
3. Электроплавильный способ. Металл получают в закрытых печах, нагретых до 2200 градусов. Эта технология позволяет получить сплав высокого качества.
4. Кислородно-конвертерный метод. Термическая обработка чугуна производится в печи с дополнительным обдувом кислородом и воздухом, в результате чего технологический цикл проходит быстрее.

Процесс производства чугуна:

• Подготовка руды заключается в измельчении на маленькие частицы.
• Измельчение коксового угля.
• Дробление флюса.
• Загрузка в печь. Этот процесс предполагает использование доменных печей.

После цикла основного производства металла следует этап вспомогательной обработки. К нему относятся отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Данные процессы улучшают характеристики металлов.

Невозможно представить себе ни одну сферу нашей жизни, где не использовался бы металл. Сплавы на основе железа активно применяются в производстве техники, инструментов, конструкций, приборов и других элементов. До настоящего времени стали и чугуны остаются востребованы в промышленности государства более, чем другие современные материалы.