Повышение качества и защита стали от коррозии

Опишите способы повышения качества стали (электрошлаковый переплав, вакуумирование, обработка синтетическим шлаком)

Улучшить качество металла можно уменьшением в нём вредных примесей, газов, неметаллических включений. Для повышения качества металла используют: обработку синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию металла, электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), переплав металла в электронно-дуговых и плазменных печах и т. д.

Вакуумная дегазация проводится для уменьшения содержания в металле газов вследствие снижения их растворимости в жидкой стали при пониженном давлении и неметаллических включений.

Вакуумирование стали проводят в ковше, при переливе из ковша в ковш, при заливке в изложницу.

Для вакуумирования в ковше ковш с жидкой сталью помещают в камеру, закрывающуюся герметичной крышкой. Вакуумными насосами создают разрежение до остаточного давления 0,267…0,667 кПа. При понижении давления из жидкой стали выделяются водород и азот. Всплывающие пузырьки газов захватывают неметаллические включения, в результате чего содержание их в стали снижается. Улучшаются прочность и пластичность стали.

Вакуумирование в ковше эффективно проводить до раскисления сильными раскислителями — кремнием и алюминием. Углерод металла реагирует с кислородом, окись углерода откачивается, а с ней откачиваются азот и водород. В результате металл раскисляется без образования неметаллических включений и дегазируется.

При вакуумировании струи металла при переливе из ковша в ковш пустой ковш устанавливают в вакуумной камере, откачивают воздух. Подают к камере второй ковш с металлом. Металл из верхнего ковша через воронку переливают в нижний, при этом вакуум в камере не нарушается. Попадая в разреженное пространство, струя распадается на мелкие капли. Дегазация в вакууме раздробленной струи более эффективна по сравнению с вакуумированием металла в ковше.

Для высококачественных и некоторых высоколегированных сталей применяют отливку слитков в вакууме. Используют камеру, состоящую из двух частей. В нижнюю помещают просушенную изложницу, в верхней части на плиту герметично устанавливают промежуточный ковш. Откачивают из камеры воздух, в промежуточный ковш наливают металл и начинают разливку. Степень дегазации зависит от остаточного давления. Газы удаляются не только из слитка, но и из струи металла, протекающей в вакууме. Значительное снижение содержания водорода (до 60…70%) обеспечивает получение стали, нечувствительной к флокенам, что упрощает процесс производства крупных поковок. Слитки, полученные таким способом, характеризуются повышенными механическими свойствами, но стоимость их значительно повышается.

Электрошлаковый переплав (ЭШП) применяют для выплавки высококачественных сталей для подшипников, жаропрочных сталей.

Схема электрошлакового переплава представлена на рис. 1.

Переплаву подвергается выплавленный в дуговой печи и прокатанный на пруток металл. Источником теплоты является шлаковая ванна, нагреваемая электрическим током. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1, погруженному в шлаковую ванну 2, и к поддону 9, установленному в слегка конусном водоохлаждаемом кристаллизаторе 7, в котором находится затравка 8. Выделяющаяся теплота нагревает ванну 2 до температуры свыше 1700 єC и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак и образуют под шлаковым слоем металлическую ванну 4. Перенос капель металла через основной шлак способствует удалению из металла серы, неметаллических включений и газов. Металлическая ванна пополняется путём расплавления электрода, и под воздействием кристаллизатора она постепенно формируется в слиток 6. По мере формирования слитка либо опускают поддон, либо поднимают электрод. Содержание кислорода уменьшается в 1,5…2 раза, серы в 2…3 раза. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности, высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Слитки получают круглого, квадратного и прямоугольного сечения массой до 110 т.

Синтетическим (от английского synthetic — искусственный) называют предназначенный для обработки стали в ковше шлак, который получают вне сталеплавильного агрегата.

Синтетические шлаки выплавляют в электропечах, циклонных плавиль-ных установках и других агрегатах. Жидкий шлак в необходимом количестве сливают в сталеразливочный ковш, который подают под выпуск. В процессе выпуска струя падающего в ковш металла эмульгирует шлак и металл с последующим разделением фаз. В результате эмульгирования резко увеличивается площадь поверхности раздела шлак-металл и скорость протекающих реакций. Результаты обработки определяются высотой падения струи металла, массой металла и шлака, физическими характеристиками и составом шлака и др. Обычно при расходах синтетического шлака 30 — 50 кг/т такая обработка позволяет в ходе выпуска плавки получать степень десульфурации стали равную 30 — 70%. Наиболее эффективная десульфурация металла наблюдается при выпуске плавки из крупнотоннажных агрегатов.

Первоначально для внепечной десульфурации стали были разработаны известково-глиноземистые шлаки состава, % масс.: 50 — 55 CaO, 37 — 43 Al2O3, < 7 SiO2, < 7 MgO, < 0,5 FeO. Для выплавки синтетических шлаков такого состава требовались дефицитные материалы с низким содержанием кремнезема.

Впоследствии была показана возможность эффективной десульфурации стали известково-шамотными шлаками состава, % масс.: 48 — 56 CaO, 6 — 10 MgO, 18 — 22 SiO2, 12 — 16 Al2O3, 0,5 CaF2, < 0,5 FeO.

Широкое использование синтетических шлаков сдерживалось отсутствием возможности размещения в существующих сталеплавильных цехах обору-дования для их выплавки. В связи с этим была разработана технология десульфурации стали в ковше самоплавкими шлаковыми смесями состава, % масс.: 12 — 14 алюминиевый порошок или алюминиевая стружка; 21 — 24 натриевая селитра; 20 флюоритовый концентрат; известь — остальное. Необходимое количество самоплавкой шлаковой смеси загружали в чугуновозный ковш и поджигали. Полученный таким способом жидкий шлак переливали из чугуновозного ковша в сталеразливочный и подавали под выпуск.

Использование самоплавких шлаковых смесей существенно упростило технологию получения синтетических шлаков. Однако, после нескольких крупных пожаров в отделениях подготовки смесей металлургические предприятия СССР от их использования отказались.

В настоящее время для внепечной десульфурации стали успешно используют твердые шлакообразующие смеси из 10 — 30% плавикового шпата и извести. По ходу выпуска плавки смесь вместе с раскислителями и легирующими загружают в ковш, при этом плавление смеси обычно завершается в течение 1 — 2 минут.

Особенность этой технологии заключается в том, что однородный шлак получается при наполнении второй половины ковша, когда мощность перемешивания стали и шлака падающей в ковш струей металла значительно уменьшается. В связи с этим десульфурирующая способность шлака используется не полностью. Поэтому после выпуска плавки целесообразно проводить дополнительное перемешивание шлака и металла продувкой в ковше аргоном.

Для повышения эффективности десульфурации стали на выпуске из сталеплавильного агрегата применяются предварительно переплавленные легкоплавкие шлаковые смеси. Примером может служить рафинирующая смесь ИРС-2 производства ОАО «НПП «Техмет» (г. Донецк) состава, % масс.: < 3 C, 53 — 60 CaOобщ, < 6 MgO, < 16 SiO2, 4 — 8 F, 4 — 6 (Na2O + K2O), 10 — 18 Al2O3, < 0,5 S, < 1,5 P2O5, < 2 MnO, < 3 FeO. Основность смеси, рассчитанная как отношение концентраций CaO и SiO2, обычно составляет не менее 3,5. Температура плавления смеси не превышает 1320 — 1350оС.

Начертите диаграмму состояния сплавов, обладающих ограниченной растворимостью в твёрдом состоянии (медь-серебро), укажите структуры во всех областях и опишите превращения, протекающие в сплаве с содержанием 5% серебра и 95% меди

Чаще бывает так, что компоненты материалов не обладают достаточной растворимостью для того, чтобы образовать абсолютные твердые растворы. Примерами таких компонентов являются медь и серебро, отличающиеся размерами атомов, и поэтому способные только к частичному растворению друг в друге.

Для большинства соотношений между медью и серебром, материал будет состоять из двух фаз, одной — обогащенной серебром, и другой — медью; для удобства назовем их а-фазой и (3-фазой, соответственно, а-фаза состоит, главным образом, из серебра с небольшой добавкой растворенной в нем меди, в то время, как (5-фаза — из меди с небольшим количеством растворенного в ней серебра.

При низких концентрациях меди в композиции серебро-медь, вся присутствующая медь растворится в серебре, при этом образуется только одна фаза. Максимальная растворимость меди в серебре составляет 8,8 массовых процентов при температуре 780 °C.

При понижении температуры растворимость меди в серебре также значительно понижается, и избыток меди как бы выпадает в осадок, образуя вторую, р-фазу.

Аналогично поведет себя серебро при его низкой концентрации в составе сплава серебро-медь. В этом случае ограниченная растворимость серебра в меди также приведет к образованию двухфазной структуры.

Интересной и важной частью фазовой диаграммы системы Ag — Си является снижение температуры ликвидуса при получении композиции, состоящей из 72 частей серебра и 28 частей меди (72Ag:28Cu). При температуре 780 °C сплав будет состоять из трех фаз: жидкой фазы, ос-фазы и Р-фазы. Эта точка называется точкой эвтектики или эвтектической точкой, а температура, при которой существуют все три фазы — температурой эвтектики или эвтектической температурой. Подобные композиции называются эвтектическими составами, или сплавом эвтектического состава.

При охлаждении жидкости эвтектического состава, она сразу же превращается в две твердые фазы, без образования промежуточной смеси жидкости с твердым — того, что наблюдается у сплавов неэвтектического состава. Это свойство некоторых систем сплавов можно использовать для образования материалов с низкой температурой плавления, например, припоев.

Аналогично тому, как при эвтектической температуре из одной жидкой фазы образуются две твердые фазы, такие же превращения (образование двух фаз из одной) могут наблюдаться и в твердом состоянии. Примером такого превращения служит система Fe — С. Для композиции 0,8С: 99,2Fe, при температуре 723 °C твердый раствор, у-фаза, переходит в твердый раствор углерода в железе, ос-фазу, и карбид железа, Fe.

C. Такой переход называется эвтектической реакцией, и отличается от эвтектики тем, что все три фазы существуют в твердом виде.

Фазовые превращения или фазовые переходы, подобные описанному выше, играют важнейшую роль в образовании микроструктуры, которая, в свою очередь, определяет свойства сплава. Следует отметить, что существуют и другие виды фазовых переходов.

Почему температура закалки доэвтектоидных сталей должна быть выше критической точки Ac3, а заэвтектоидная — выше Ас1.

Температура закалки для сталей большинства марок определяется положением критических точек А1 и А3.

Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме железо — углерод (рис. 2). Обычно для доэвтектоидной стали она должна быть на 30 — 50 °C выше Ас3 а для заэвтектоидной стали — на 30 — 50 °C выше Ас1.

При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше Ас1 но ниже Ас3 в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита (рис. 3, а), который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной.

а — доэвтектоидная сталь, неполная закалка — нагрев выше Ас1, но ниже Ac3, мартенсит — феррит;

б — зазвтектоидная сталь, правильная закалка — нагрев выше Ас1 и ниже Ас3 мартенсит + цементит, Ч 500.

Для заэвтектоидных сталей оптимальная температура закалки лежит в интервале между Ас1 и Ас3 и теоретически является неполной (рис. 229, б).

Наличие в структуре закаленной стали избыточного цементита полезно во многих отношениях. Например, включения избыточного цементита повышают износоустойчивость стали. Нагрев же выше Ас3 опасен и не нужен, так как он не повышает твердости, наоборот твердость даже несколько падает вследствие растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита. При таком нагреве растет зерно аустенита, увеличивается возможность возникновения больших закалочных напряжений, интенсивнее обезуглероживается сталь с поверхности и т. д.

Таким образом, оптимальной является закалка доэвтектоидной стали от температуры на 30 — 50 °C выше Ac3, а для заэвтектоидной стали на 30 — 50° выше Ас1.

Повышение температуры закалки выше этих температур и вызванный этим рост зерна аустенита обнаруживаются в первую очередь в получении более грубой и крупноигольчатой структуры мартенсита, или грубого крупнокристаллического излома. Следствием такого строения является низкая вязкость. При укрупнении зерна, параметр К1с, характеризующий сопротивление разрушению (полухрупкому, хрупкому), возрастает, тогда как ударная вязкость и порог хладноломкости (первое характеризует сопротивление вязкому, второе — хрупкому разрушению) снижаются. Многолетний опыт анализа разрушений показывает, что крупнозернистость строения является причиной разрушений, обусловленных несоблюдением правильных режимов термической обработки или плохим проведением сварки или горячей обработки давлением. Сказанное вызывает определенные и достаточно обоснованные сомнения в том, вполне ли объективно оценивается надежность стали параметром К1с.

Охарактеризуйте заданные марки конструкционных легированных сталей

14ХГС:

Марка: 14ХГС (заменители: 15ХСНД, 16ГС, 14ГН, 16ГН, 14СНД) Класс: Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций Вид поставки: лист толстый ГОСТ 19 282–73, ГОСТ 19 903–74. Лист тонкий ГОСТ 17 066–94, ГОСТ 19 903–74, ГОСТ 19 904–90. Полоса ГОСТ 82–70.

Использование в промышленности: сварные конструкции, листовые, клепанные конструкционные детали.

Свариваемость материала: ограниченно свариваемая. РДС без ограничений, АДС под флюсдм и газовой защитой.

Флокеночувствительность: не чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: склонна.

Температура ковки, oС: начала1200, конца 850.

50ХФА:

Марка: 50ХФА (заменители: 60С2А, 50ХГФА, 9ХС) Вид поставки: сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 14 959–79, ГОСТ 2590–2006, ГОСТ 2591–2006, ГОСТ 2879–2006, ГОСТ 7419.0−78 — ГОСТ 7419.8−78. Калиброванный пруток: ГОСТ 7417–75, ГОСТ 8559–75, ГОСТ 8560–78. Шлифованный пруток и серебрянка: ГОСТ 7419.0−78 — ГОСТ 7419.8−78, ГОСТ 14 955–77. Лента: ГОСТ 2283–79. Полоса: ГОСТ 103–2006, ГОСТ 4405–75. Поковки и кованые заготовки: ГОСТ 1133–71, ГОСТ 8479–70.

Класс: Сталь конструкционная рессорно-пружинная Использование в промышленности: тяжелонагруженные ответственные детали, к которым предъявляются требования высокой усталостной прочности, пружины, работающие при температуре до 300 °C и другие детали.

Удельный вес: 7800 кг/м3.

Термообработка: Закалка и отпуск Твердость материала: HB 10 -1 = 262 — 311 МПа Температура ковки, °С: начала 1180, конца 800. Сечения до 50 мм охлаждаются на воздухе, 51−180 в колодцах.

Температура критических точек: Ac1 = 752, Ac3(Acm) = 788, Ar3(Arcm) = 746, Ar1 = 688, Mn = 300.

Обрабатываемость резанием: в горячекатанном состоянии при HB 269, ув=900 МПа, К х тв. спл=0,70 и Кх б. ст=0,35.

Свариваемость материала: не применяется для сварных конструкций.

Флокеночувствительность: не чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: малосклонна.

ШХ15:

Марка: ШХ15 (заменители: ШХ9, ШХ12, ШХ15СГ) Вид поставки: сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 801–78, ГОСТ 2590–2006, ГОСТ 2591–2006. Калиброванный пруток: ГОСТ 7417–75. Шлифованный пруток и серебрянка: ГОСТ 14 955–77. Полоса: ГОСТ 103–2006. Проволока: ГОСТ 4727–83.

Класс: Сталь конструкционная подшипниковая Использование в промышленности: шарики диаметром до 150 мм, ролики диаметром до 23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпуса распылителей, ролики толкателей и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

Удельный вес: 7812 кг/м3.

Термообработка: Отжиг 800oC, печь, 15 oC/ч.

Температура ковки, °С: начала 1150, конца 800. Сечения до 250 мм охлаждаюся на воздухе, 251−350 мм в яме.

Твердость материала: HB 10 -1 = 179 — 207 МПа Температура критических точек: Ac1 = 724, Ac3(Acm) = 900, Ar3(Arcm) = 713, Ar1 = 700, Mn = 210.

Обрабатываемость резанием: в горячетканом состоянии при HB 202 ув=740 МПа, К х тв. спл=0,9 и Кх б. ст=0,36.

Свариваемость: способ сварки КТС.

Флокеночувствительность: чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: склонна.

Шлифуемость: хорошая.

Опишите механические методы защиты металлов от коррозии

качество защита сталь коррозия Шлифовка:

Шлифовка подразумевает использование вращающихся кругов, покрытых абразивным материалом. Она используется для мелкого ремонта или для удаления мелких инородных частиц. Качество этих шлифовальных кругов было значительной степени улучшено, и это может обеспечить хороший стандарт подготовки поверхности.

Механическая очистка:

Способ поверхностной очистки вручную во время которой загрунтованной и покрашенной поверхности придаётся шероховатость и устраняется любое видимое загрязнение (за исключением масляных загрязнений и следов ржавчины).

Лёгкая очистка, цель: огрубление новой поверхности Абразив: мелкий (0,2 — 0,5 мм) Тяжёлая очистка (ISO Sa1), цель: удаление слоёв ветхого покрытия Абразив: мелкий до среднего (0,2 — 0,5 / 0,2 — 1,5 мм).

Пескоструйная очистка:

Столкновение потока абразивного материала, обладающего высокой кинетической энергией, с подготовленной поверхностью. Этот процесс управляется либо вручную струёй, либо автоматически с помощью колеса с лопатками. Это наиболее основательный метод очистки от ржавчины. Пескоструйная очистка с помощью центрифуги, сжатого воздуха и вакуума являются наиболее известными типами.

Дробь:

Частицы должны быть практически сферическими и твёрдыми и содержать минимальное количество посторонних примесей и дроби нестандартной формы.

Грунтовки, использующиеся после дробеструйной очистке, должны быть проверены по своим эксплуатационным характеристикам.

Крупный абразив:

Частицы должны иметь угловатую форму с острыми режущими гранями, должны быть удалены «половинки». Если в спецификации не указано что-либо иное, должен быть использован песок минерального происхождения.

Выберите и обоснуйте марки сплавов для изготовления заданных деталей. Укажите химический состав, свойства и применение

Для гребных валов:

Материалы: 36Х2Н2МФА; 38ХМА Химический состав материала 36Х2Н2МФА.

Свойства:

Термообработка: Закалка и отпуск Температура ковки, °С: начала 1200, конца 780. Сечения до 50 мм охлаждаются в ящиках, 51−700 мм подвергаются низкотемпературному отжигу с одним переохлаждением.

Твердость материала: HB 10 -1 = 269 МПа Температура критических точек: Ac1 = 740, Ac3(Acm) = 780, Ar3(Arcm) = 400, Ar1 = 300.

Свариваемость материала: трудносвариваемая.

Флокеночувствительность: чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: не склонна.

Использование в промышленности: для крупных ответственных деталей-дисков, крепежных болтов и т. д.

Химический состав материала 38ХМА.

Свойства:

Термообработка: Закалка 850oC, масло, Отпуск 600oC, воздух, Температура критических точек: Ac1 = 758, Ac3(Acm) = 805, Ar3(Arcm) = 725, Ar1 = 650.

Использование в промышленности: ответственные детали общего назначения в машиностроении.

Для котлов и пароперегревателей:

Материалы: 15Х1М1Ф;12Х2МФСР Химический состав материала 15Х1М1Ф.

Свойства:

Температура критических точек: Ac1 = 770 — 819, Ac3(Acm) = 905 — 975, Ar3(Arcm) = 855 — 908, Ar1 = 775 — 818.

Использование в промышленности: трубы пароперегревателей, паропроводов и коллекторов установок высокого давления, длительно работающих при температурах до 585 град.

Химический состав материала 12Х2МФСР.

Свойства:

Температура критических точек: Ac1 = 775 — 825, Ac3(Acm) = 865 — 925, Ar3(Arcm) = 770 — 820, Ar1 = 715 — 765.

Использование в промышленности: пароперегревательные и пароводные трубы, длительно работающие при температурах до 620 град.

Для рабочих частей землечерпательных судов:

Материалы: АМг5; ЧН15Д7.

Химический состав материала АМг5.

Свойства:

Удельный вес: 2650 кг/м3.

Термообработка: Отжиг 305 — 340oC, Охлаждение воздух, Твердость материала: HB 10 -1 = 65 МПа Использование в промышленности: для изготовления полуфабрикатов методом горячей или холодной деформации Химический состав материала ЧН15Д7.

Свойства:

Твердость материала: HB 10 -1 = 120 — 297 МПа Использование в промышленности: для деталей с высокой коррозионной и эрозионной стойкостью в щелочах, слабых растворах кислот, серных кислотах любой концентрации до 50 град. С, в морской воде, в среде перегретых водяных паров.