Железоуглеродистые сплавы. Медь и ее сплавы

Железоуглеродистые сплавы. Медь и ее сплавы

45

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

Кировский филиал

Курсовая работа

по курсу: «Материаловедение»

Выполнил:

студент второго курса

очного отделения

по специальности 100101(У)

Быков Р.И.

Киров 2008г.

Содержание

1. Железоуглеродистые сплавы. Производство чугуна и доменный процесс

1.1 Железоуглеродистые сплавы

1.1.1 Фазовые состояния

1.1.2 Строение железоуглеродистых сплавов

1.1.3 Полиморфные превращения железоуглеродистых сплавов

1.2 Производство чугуна и доменный процесс

1.2.1 Доменный процесс

1.2.2 Продукты доменной плавки

2. Термическая обработка железоуглеродистых сплавов

2.1 Превращения в стали при нагревании

2.2 Превращения в стали при охлаждении

2.3 Основные виды термической обработки стали

2.3.1 Отжиг стали

2.3.2 Закалка стали

2.3.3 Отпуск стали

3. Медь и её сплавы. Область применения

3.1 Физические свойства

3.2 Химические свойства

3.2.1 Отношение к кислороду

3.2.2 Взаимодействие с водой

3.2.3 Взаимодействие с кислотами

3.2.4 Отношение к галогенам и некоторым другим неметаллам

3.2.5 Оксид меди

3.2.6 Гидроксиды меди

3.2.7 Сульфаты

3.2.8 Карбонаты

3.2.9 Качественные реакции на ионы меди

3.3 Сплавы

3.3.1 Латуни

3.3.2 Бронзы

3.3.3 Медноникелевые сплавы

3.4 Применение меди

Список использованных источников

1. Железоуглеродистые сплавы. Производство чугуна и Доменный процесс

1.1 Железоуглеродистые сплавы

Железоуглеродистые сплавы, сплавы железа с углеродом на основе железа. Варьируя состав и структуру, получают железоуглеродистые сплавы с разнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами.

Различают: чистые железоуглеродистые сплавы (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей и технические железоуглеродистые сплавы -- стали (до 2%С) и чугуны (св. 2% С), мировое производство которых измеряется сотнями млн. т.

Технические железоуглеродистые сплавы содержат примеси. Их делят на обычные (фосфор Р, сера S, марганец Mn, кремний Si, водород Н, азот N, кислород О), легирующие (хром Cr, никель Ni, молибден Mo, вольфрам W, ванадий V, титан Ti, кобальт Со, медь Cu и др.) и модифицирующие (магний Mg, церий Ce, кальций Ca и др.).

В большинстве случаев основой, определяющей строение и свойства сталей и чугунов, является система Fe -- С. Начало научному изучению этой системы положили русские металлурги П. П. Аносов (1831) и Д. К. Чернов (1868).

Аносов впервые применил микроскоп при исследовании железоуглеродистые сплавы, а Чернов установил их кристаллическую природу, обнаружил дендритную кристаллизацию и открыл в них превращения в твёрдом состоянии.

Из зарубежных учёных, способствовавших созданию диаграммы состояния Fe -- С сплавов, следует отметить Ф. Осмонда (Франция), У. Ч. Робертса-Остена (Англия), Б. Розебома (Голландия) и П. Геренса (Германия).

1.1.1 Фазовые состояния.

Железоуглеродистые сплавы при разных составах и температурах описываются диаграммами стабильного (рис. 1, а) и метастабильного (рис. 1, б) равновесий. В стабильном состоянии в железоуглеродистые сплавы встречаются жидкий раствор углерода в железе (Ж), три твёрдых раствора углерода в полиморфных модификациях железа (табл. 1)

Рис. 1a. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: состояние стабильных равновесий.

Рис. 1в. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: состояния с двойными линиями.

Рис. 1б. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: состояние метастабильных равновесий.

Таблица 1.-- Кристаллические фазы железоуглеродистых сплавов.

Название фазы	Природа фазы	Структура
a-феррит	Твердый раствор внедрения углерода в a-Fe	Объемноцен трированная кубическая
Аустенит	Твердый раствор внедрения углерода в g-Fe	Гранецентри рованная кубическая
d-феррит	Твердый раствор внедрения углерода в d-Fe	Объемноцен трированная кубическая
Графит	Полиморфная модификация углерода	Гексогональная слоистая
Цементит	Карбид железа Fe2C	Ромбическая

a-раствор (a-феррит), g-раствор (аустенит) и d-раствор (d-феррит), и графит (Г).

В метастабильном состоянии в железоуглеродистые сплавы встречаются a-, g-, d-растворы и карбид железа Fe3C -- цементит (Ц). Области устойчивости железоуглеродистых сплавов в однофазных и двухфазных состояниях указаны на диаграммах. При некоторых условиях в железоуглеродистых сплавах могут существовать в равновесии и три фазы. При температурах НВ возможно перитектическое равновесие d + g + Ж, E'C'F' -- эвтектическое стабильное равновесие g + Ж + Г; при ECF -- эвтектическое метастабильное равновесие g + Ж + Ц; при P'S'K' -- эвтектоидное стабильное равновесие a + g + Г', при PSK -- эвтектоидное метастабильное равновесие a + g + Ц.

Диаграммы а и б вычерчиваю и в одной координатной системе (рис. 1, в). Такая сдвоенная диаграмма наглядно характеризует относительное смещение однотипных линий равновесия и облегчает анализ железоуглеродистых сплавов, содержащих стабильные и метастабильные фазы одновременно.

Основной причиной появления в железоуглеродистых сплавах высокоуглеродистой метастабильной фазы в виде цементита являются трудности формирования графита.

Образование графита в жидком растворе Ж и твёрдых растворах a и g связано с практически полным удалением атомов железа из участков сплава, где зарождается и растет графит. Оно требует значительных атомных передвижений. Если железоуглеродистые сплавы охлаждаются медленно или длительно выдерживаются при повышенных температурах, атомы железа успевают удалиться из мест, где формируется графит, и тогда возникают стабильные состояния.

При ускоренном охлаждении и недостаточных выдержках удаление малоподвижных атомов железа задерживается, почти все они остаются на месте, и тогда в жидких и твёрдых растворах зарождается и растет цементит. Необходимая для этого диффузия легкоподвижных при повышенных температурах атомов углерода, не требующая больших выдержек, успевает происходить и при ускоренном охлаждении.

Помимо основных фаз, указанных на диаграммах, в технических железоуглеродистые сплавы встречаются небольшие количества и др. фаз, появление которых обусловлено наличием примесей. Часто встречаются сульфиды (FeS, MnS), фосфиды (Fe3P), окислы железа и примесей (FeO, MnO, Al2O3, Cr2O3, TiO2 и др.), нитриды (FeN, AlN) и др. неметаллические фазы. Точечными линиями на диаграммах отмечены точки Кюри, наблюдающиеся в железоуглеродистых сплавах в связи с магнитными превращениями феррита (768°С) и цементита (210°С).

1.1.2 Строение железоуглеродистых сплавов

Строение железоуглеродистых сплавов определяется составом, условиями затвердевания и структурными изменениями в твёрдом состоянии.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы делят на стали и чугуны. Стали с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектоидная S' и S, называют доэвтектоидными, а более высокоуглеродистые -- заэвтектоидными. Чугуны с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектическая C1 и С, называют доэвтектическими, а более высокоуглеродистые -- заэвтектическими.

Затвердевание сталей, содержащих до 0,5% С, начинается с выпадения кристаллов 8-раствора обычно в виде дендритов. При концентрациях углерода до 0,1% кристаллизация заканчивается образованием однофазной структуры d-раствора. Стали с 0,1--0,5% С после выделения некоторого количества 8-раствора испытывают перитектическое превращение Ж + d --> g. В интервале концентраций 0,10--0,16% С оно приводит к полному затвердеванию, а в интервале 0,16--0,50% С кристаллизация завершается при охлаждении до температуры линии IE. В железоуглеродистых сплавах с 0,5--4,26% С кристаллизация начинается с выделения g-раствора также в виде дендритов. Стали полностью затвердевают в интервале температур, ограниченном линиями ВС и IE, приобретая однофазную аустенитную структуру. Затвердевание же чугунов, начинаясь с выделения избыточного (первичного) gраствора, заканчивается эвтектическим распадом остатка жидкости по одному из трёх возможных вариантов: Ж ®g+ Г, Ж ® g+ Ц или Ж ® (+ Г + Ц.

В первом случае получаются т. н. серые чугуны, во втором -- белые, в третьем -- половинчатые. В зависимости от условий кристаллизации графит выделяется в виде разветвленных или шаровидных включений, а цементит -- в виде монолитных пластин или проросших разветвленным аустенитом.

В железоуглеродистых сплавах, содержащих более 4,26--4,3% С, кристаллизация переохлажденного ниже линии D1C1 расплава в условиях медленного охлаждения начинается с образования первичного графита разветвленной или шаровидной формы. В условиях ускоренного охлаждения (при переохлаждениях ниже линии DC) образуются пластины первичного цементита. При промежуточных скоростях охлаждения выделяются и графит, и цементит. Кристаллизация заэвтектических чугунов, так же как и доэвтектических, завершается распадом остатка жидкости на смесь gраствора с высокоуглеродистыми фазами.

Строение затвердевших железоуглеродистых сплавов существенно изменяется при дальнейшем охлаждении. Эти изменения обусловлены полиморфными превращениями железа, уменьшением растворимости в нём углерода, графитизацией цементита. Структура может изменяться в твёрдом состоянии в результате процессов рекристаллизации твёрдых растворов, сфероидизации кристаллов (из неравноосных становятся равноосными), коалесценции (одни кристаллы цементита укрупняются за счёт других) высокоуглеродистых фаз.

1.1.3 Полиморфные превращения железоуглеродистых сплавов

Полиморфные превращения железоуглеродистых сплавов связаны с перестройками гранецентрированной кубической (ГЦК) решётки g-Fe и объёмноцентрированной решётки (ОЦК) a- и d-Fe.

В зависимости от условий охлаждения и нагревания полиморфные превращения твёрдых растворов происходят разными путями. При небольших переохлаждениях (и перегревах) имеет место т. н. нормальная перестройка решёток железа, осуществляющаяся в результате неупорядоченных индивидуальных переходов атомов от исходной фазы к образующейся; она сопровождается диффузионным перераспределением углерода между фазами.

При больших скоростях охлаждения или нагревания полиморфные превращения твёрдых растворов происходят бездиффузионным (мартенситным) путём. Решётка железа перестраивается быстрым сдвиговым механизмом в результате упорядоченных коллективных смещений атомов без диффузионного перераспределения углерода между фазами. Например, при закалке железоуглеродистых сплавов в воде g-раствор переходит в a-раствор того же состава. Этот пересыщенный углеродом a-раствор называют мартенситом. Превращения при промежуточных условиях могут совмещать в себе сдвиговую перестройку решётки железа с диффузионным перераспределением углерода (бейнитное превращение). Формирующиеся при этом структуры существенно различны.

В первом случае образуются равноосные с малым числом дефектов кристаллы твёрдого раствора.

Во втором и третьем -- игольчатые и пластинчатые кристаллы с многочисленными двойниками и линиями скольжения. Структура железоуглеродистых сплавов изменяется также и в связи с изменением растворимости углерода в a и g-железе при охлаждении и нагревании. При охлаждении растворы пересыщаются углеродом и выделяются кристаллы высокоуглеродистых фаз (цементита и графита). При нагревании имеющиеся высокоуглеродистые фазы растворяются в a и g-фазах.

Зарождение и рост кристаллов цементита в пересыщенных растворах происходит обычно с большей скоростью, чем образование графита, и поэтому железоуглеродистые сплавы часто метастабильны. В зависимости от переохлаждения цементит, выделяющийся из твёрдого раствора, может иметь вид равноосных кристаллов, пограничной сетки, пластин и игл.

При высокотемпературных выдержках кристаллы цементита сфероидизируются; может происходить и процесс коалесценции. Если железоуглеродистые сплавы, содержащие цементит, длительно выдерживать при повышенных температурах, происходит графитизация -- зарождается и растет графит, а цементит растворяется, этот процесс используется при производстве изделий из графитизированной стали и ковкого чугуна. Важную роль при формировании структуры железоуглеродистых сплавов в твёрдом состоянии играет эвтектоидный распад т-раствора на a-раствор и высокоуглеродистую фазу. При очень малых переохлаждениях образуются феррит и графит, при небольшом увеличении переохлаждения -- феррит и сфероидизированный цементит, затем смесь феррита и цементита приобретает пластинчатое строение перлита, тем более тонкое, чем больше переохлаждение. При переохлаждениях, измеряемых сотнями градусов, эвтектоидный распад подавляется, и g-раствор превращается в мартенсит. Строение железоуглеродистых сплавов можно изменять в широких пределах. Основными методами управления структурой железоуглеродистых сплавов являются изменения химического состава, условий затвердевания, пластической деформации, термической и термомеханической обработок.

Меняя фазовый состав, величину, форму, распределение и дефектность кристаллов, можно широко варьировать и свойства железоуглеродистых сплавов.

Например, важнейшие при эксплуатации железоуглеродистых сплавов механические свойства изменяются в следующих пределах: твёрдость от 60 до 800 HB; предел прочности 2·104--3,5·106н/см2 (2·103--3,5·105 кгс/см2); относительное удлинение от 0 до 70%.

1.2 Производство чугуна и доменный процесс

Чугун это железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода. Кроме углерода, в нем всегда присутствуют кремний (до 4%), марганец (до 2%), а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом для получения стали, на что расходуется примерно 80-85% всего чугуна.

Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива в печи.

Рис 2. Схема доменной печи.

Колошник 1 - верхняя цилиндрическая часть, куда при помощи засыпного аппарата загружаются проплавляемые материалы, а от боковых сторон его по газоотводам 2 удаляются колошниковые газы.

Шахта 3 - расположена под колошником. В ней в определённой последовательности идут процессы подготовки материалов, восстановление из окислов руды железа и др. элементов, науглероживание железа и плавление образовавшегося сплава. Шахте придаётся форма расширяющегося книзу усечённого конуса для облегчения опускания из колошника загруженных материалов.

Распар 4 - самая широкая цилиндрическая часть печи, где происходит плавление пустой породы руды и флюса с образованием из них шлака.

В заплечиках 5, следующей части печи в виде усечённого и расширяющегося кверху конуса, процесса шлакообразования заканчивается. Здесь остается в твёрдом состоянии только горючее и часть флюса.

В горне 6 происходит горение спустившегося сверху топлива и накапливаются в жидком состоянии чугун и шлак. Горячий воздух для сжигания топлива от воздухонагревателей подводится к печи по кольцевому воздухопроводу 7 через фурмы 8. Чугун и шлак накапливаются на дне горна, называемом лещадью 9, расположенной на мощном железобетонном фундаменте 10.

Чугун выпускается из печи через лётку, расположенную на дне лещади, по желобам в ковши, а шлак в специальные ковши через две шлаковые лётки.

В верхней части печи имеется малый конус засыпного аппарата, на который попадает шихта, при опускании его шихта попадает в чашу. Из чаши шихта попадает на большой конус, при опускании которого шихтовые материалы попадают в доменную печь, предотвращая при этом выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приёмная воронка после очередной загрузки поворачивается на угол кратный 60?.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь попадаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объём печи был заполнен. Полезный объём печи - это объём, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный объём 2000…50000 м, полезная высота доменной печи достигает 35 м, это более, чем в тир раза превосходит диаметр её поперечного сечения.

Это позволяет доменной печи, работающей по принципу встречного движения материалов и газов, иметь более высокий коэффициент полезного использования тепла (до 85%).

Кладка лещади и горна выполняется из углеродистых блоков и высокоглинозёмистых кирпичей, а заплечики, распар и шахта - из шамотных кирпичей высшего качества.

Лещадь и горн заключены в мощный стальной кожух и интенсивно охлаждаются водой при помощи специальных холодильников, к которым подведены две водопроводные магистрали, из них одна находится в работе, а другая - в резерве.

Колошник футерован стальными неохлаждаемыми плитами, полости которых заполнены шамотным кирпичом. Купол печи футерован чугунными плитами.

1.2.1 Доменный процесс

Для успешного ведения доменного процесса необходимо соблюдать два основных условия:

1. количество тепла и температура по высоте печи должны быть распределены так, чтобы все реакции протекали в определённом месте и в определённое время;

2. образование шлака должно происходить только после окончания восстановления из руды железа и необходимых примесей.

Первое условие обеспечивается непрерывным движением в печи 2-х встречных потоков, поднимающих снизу вверх горячих газов от сгорания в горне топлива и опускающихся сверху вниз шихтовых материалов, нагревающихся под действием тепла газов.

Второе условие обеспечивается подбором по тугоплавкости шлаков соответственно сортам выплавляемого чугуна, чтобы образовавшийся шлак не сплавил руду до восстановления железа и др. примесей, не изменил заданного состава чугуна и не вызвал расстройство в ходе процесса.

Доменный процесс начинается с горения топлива.

Горячий воздух, вдуваемый через фурмы, сжигает углерод кокса по реакции:

C+O=CO+Q (1)

Двуокись углерода (CO) встречает углерод раскаленного кокса и почти полностью разлагается:

CO+C=2CO-Q (2)

Одновременно с этим идёт реакция восстановления водорода из пара, содержащегося в дутье:

HO+C = H+CO-Q (3)

В результате этих реакций вверх из горна идут газы, состоящие из CO, H.

Подготовительные процессы в загруженных шихтовых материалах начинают происходить в верхних горизонтах печи немедленно под влиянием температуры поднимающихся газов. Сначала при температуре 100…200?С испаряется гигроскопическая вода, а при 300…500?С кристаллизационная, при соприкосновении которой с окисью углерода газов и углеродом кокса колошниковые газы получают дополнительно CO, CO и H.

Страницы: 1, 2, 3