Железоуглеродистые сплавы: виды и характеристики

О чем речь? Железоуглеродистые сплавы, как следует из названия, состоят из железа и углерода, причем доля последнего редко превышает 6 %. Основные виды – сталь и чугун.

На что обратить внимание? В сплав добавляют специальные примеси, влияющие на итоговые характеристики металла. Такие добавки называют легирующими. В их роли часто выступают марганец, кремний, хром.

Понятие и свойства железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистые сплавы представляют собой материалы, включающие в себя основные компоненты – железо (Fe) и углерод (C). Последний играет ключевую роль в формировании химических свойств данных соединений и их микроструктуры.

Железоуглеродистые сплавы благодаря их высокой прочности, твердости, коррозионной устойчивости и термостойкости широко применяют в машиностроении, автомобильной промышленности и строительстве. Эти качества делают их востребованными материалами в производстве различных изделий.

Свойства железоуглеродистых сплавов, определяющие возможность их формования и заливки при литье, играют важную роль в литейном производстве, влияя на качество и точность изготавливаемых деталей.

Основные литейные характеристики железоуглеродистых сплавов:

• Жидкотекучесть (fluidity) – одно из ключевых свойств, определяющих возможность и легкость литья сплава. Влияет на способность материала заполнять форму, его текучесть и осадку, а также на качество литого изделия при создании сложных конфигураций.
• Усадка – изменение объема металла в процессе охлаждения и застывания, когда расплавленный металл переходит из жидкого состояния в твердое. Это качество может вызывать появление деформаций, трещин и других дефектов на поверхности литого изделия.
• Текучесть (ductility) – свойство сплава в твердом состоянии деформироваться без разрушения под воздействием внешних нагрузок, например, растяжении или сжатии. Данная характеристика отражает способность материала удерживать свою форму и принимать различные конфигурации при обработке, например, прокатке или ковке.
• Твёрдость – важный показатель износостойкости и прочности, особенно в условиях высоких нагрузок и трений.
• Антикоррозийная стойкость – важный фактор сохранения свойств сплава от воздействия окружающей среды. Устойчивость к воздействию ржавчины является критическим параметром для обеспечения долговечности и надежности изделий из железоуглеродистых соединений.

При выборе составляющих железоуглеродистого сплава для литья необходимо учитывать вышеупомянутые характеристики, чтобы гарантировать получение качественных и точных изделий. Эти свойства играют ключевую роль в проектировании формы и определении условий металлообработки.

Структура железоуглеродистых типов стали

В зависимости от давления и температуры железоуглеродистый сплав может находиться в трех фазах:

• жидкой;
• полужидкой;
• твердой.

Вопреки однородности химического состава, в каждом из этих состояний металл обладает уникальными физическими и механическими свойствами. Их изучение имеет важное научно-практическое значение и представляет интерес для различных областей науки и промышленности.

При контакте с углеродом различные структуры твердой фазы образуют железо, включая цементит, твердые растворы аустенита и феррита, а также механические соединения перлита и ледебурита.

Цементит

Смесь углерода с железом, известное как карбид железа (Fe₃C), характеризующееся сложной атомно-кристаллической структурой с низкими металлическими связями. Температурный диапазон плавления данного материала составляет от +1147 °C до +1600 °C. В присутствии других химических элементов формирует твердые растворы замещения. При сильном нагреве и давлении может распадаться, образуя графит.

Цементит обладает магнитными свойствами, оставаясь ферромагнетиком без аллотропных изменений. При +217 °C теряет эти характеристики. С постоянным содержанием углерода 6,67 % этот компонент является самым твердым (700 : 800 НВ) и хрупким из подобных соединений. Он тверже стекла и не поддается обработке режущим инструментом, имеет нулевую пластичность.

При разрыве структура данного железоуглеродистого сплава обычно имеет мелкозернистое строение и белый блестящий цвет, характерный для белых передельных типов чугуна.

Феррит

Сплав железа с невысоким содержанием углерода (до 0,02 %), представляющий собой твердый раствор в α -железе. Материал обладает твердостью от 60 до 80 НВ, прочностью при растяжении (σв) до 250 МПа, удлинением при разрыве δ = 50 %. Является структурой малоуглеродистых типов стали, на изломе имеет крупные белесые зерна.

Аустенит

Твердый сплав углерода в γ-железе. Максимальная доля C в аустените составляет 2,14 %, твердость варьируется от 170 до 220 НВ. Материал формируется при температуре +727 °С и имеет нестабильную структуру, которая разрушается при охлаждении.

Перлит

Смесь твердого сплава феррита и химического соединения цементита. Это явление известно как эвтектоид. Материал состоит из мелких пластин или зерен. Содержание углерода в нем около 0,83 %, твердость находится в диапазоне 200 : 240 НВ, а предел прочности при растяжении σв равен 1100 : 1150 МПа. Структура является неустойчивой и при нагреве до +727 °С переходит в аустенит.

Ледебурит

Микроскопический агломерат аустенита и цементита с 4,3%-ным содержанием углерода, плавится при неизменной точке +1147 °С. Структура материала объединяет прочность и твердость аустенита и перлита.

Два вида железоуглеродистых сплавов

Среди железоуглеродистых сплавов выделяют два основных вида: сталь и чугун.

Сталь

Как важный вид железоуглеродистых сплавов, различают сталь углеродистую и легированную. Первый тип делят на низко-, средне- и высокоуглеродистую в зависимости от содержания углерода, составляющего соответственно до 0,25 %, от 0,25 до 0,6 % и от 0,6 до 2 %. Эти различия и определяют их механические и физические характеристики.

Легированная в дополнение к углероду содержит различные легирующие компоненты, такие как хром, никель, молибден, ванадий и другие. По содержанию этих компонентов этот тип стали бывает низко-, средне- и высоколегированным (добавки составляют соответственно до 2,5 %, от 2,5 до 10 % и более 10 %).

По назначению сталь классифицируют на конструкционную, инструментальную и с особыми свойствами (бывает жаростойкой, нержавеющей, жаропрочной, электротехнической и др.). По качеству делят на обыкновенную, качественную и высококачественную в зависимости от содержания газов, шлаков и вредных примесей, а также однородности. Наличие специальных элементов определяет лишь марку стального сплава.

Углеродистая и низколегированная сталь имеют перлитную структуру, высоколегированные конструкционные, высокоуглеродистые и инструментальные – мартенситную, высоколегированная нержавеющая – аустенитную.

Марки стали указывают на ее свойства и состав. Маркировка различается в зависимости от ее типа и характеристик.

Углеродистые и легированные типы стали маркируются по-разному с учетом их состава и свойств. Например, сплав обыкновенного качества метят в соответствии с ГОСТ 380-71 и делят на три группы: А, Б и В.

Сталь группы А обозначается дополнительно указанием способа ее получения: М – мартеновский процесс, Б – бессемеровский, К – конвертерный. Сплав группы В, помимо маркировки, имеет дополнительные обозначения: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная. Кипящая содержит небольшое количество кремния (до 0,05 %), она не полностью раскисленная. В спокойной – до 0,12 % Si, в полуспокойной – от 0,05 % до 0,12 % Si.

Каждая группа разделяется на различные классы в зависимости от нормируемых параметров и показателей. Группа А включает три категории с обязательными показателями и стандартами механических свойств, Б подразделяется на две категории, В – на шесть.

Примеры маркировки демонстрируют систему обозначений: БСт2пс означает бессемеровскую сталь, полуспокойную; БСтЗкп – бессемеровскую, кипящую; ВМСтЗкп – мартеновскую, кипящую. Сталь углеродистая, произведенная в соответствии с ГОСТ 1050-74, имеет иную систему маркировки. Например, марка 30 указывает на среднее содержание углерода 0,27:0,35 %, то есть 0,3 %.

Маркировка легированной стали включает определенные буквы и цифры, значение которых зависит от химического состава стали. Буквы в марке расшифровываются так:

• Г – марганец,
• С – кремний,
• X – хром,
• Н – никель,
• М – молибден,
• Ю – алюминий,
• В – вольфрам,
• Т – титан,
• Ф – ванадий,
• Б – ниобий,
• К – кобальт,
• Д – медь,
• Р – бор,
• А – азот.

Наличие элемента в сплаве менее 1 % не указывается. Цифры в марке указывают на содержание конкретного компонента в материале. Например, марка 12Х2Н4 обозначает сталь с содержанием углерода до 0,12 %, хрома около 2 % и никеля и молибдена меньше 1 %.

Чугун

Сплав производится в доменных печах из железной руды, бывает белым и серым. Первый получают при быстром охлаждении чугуна и содержании марганца более 1 %. Углерод в нем химически связан с железом, что делает его очень твердым и хрупким, но плохо поддающимся обработке, хотя и обладающим хорошей износостойкостью.

С другой стороны, при медленном охлаждении и застывании чугуна углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Наличие последнего снижает твердость материала, но улучшает его обрабатываемость. Такой вид называется серым и широко применяется в различных отраслях промышленности.

Особое место в автомобильном и сельскохозяйственном машиностроении занимает ковкий чугун, который получается посредством отжига белого. Он обладает высокой вязкостью, показывает хорошую прочность на разрыв и к ударной нагрузке, основная структура содержит хлопьевидные включения графита.

В связи с повышенными требованиями к прочности и износостойкости чугунных отливок нашел применение и модифицированный чугун. Модификация материала осуществляется путем введения в жидкий сплав специальных присадок.

Также используется легированный чугун, содержащий значительное количество специальных элементов, таких как никель, ванадий, марганец, хром, титан и медь, которые улучшают его структуру и повышают эффективность термической обработки.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.