51. Чёрные металлы. Классификация, групповая характеристика чугунов и сталей, идентификация.

Металлы — химические элементы, характеризующиеся в твердом состоянии внутренним кристаллическим строением. Металлы имеют характерный блеск, они непрозрачны, при деформациях пластичны, характеризуются значительной теплопроводностью и электропроводностью. Металлы и сплавы, применяемые для изготовления товаров народного потребления, делят на черные и цветные. К цветным металлам относятся также благородные (драгоценные) металлы.

Черные металлы. Характеризуются большой плотностью, высокой температурой плавления, высокой твердостью. К черным металлам относят железо, кобальт, никель, марганец. Железо может растворять углерод (0,2 - 6,67%), давать с ним химическое соединение цементит; высокоуглеродистые сплавы содержат графит. Чистое железо (99,999 % Fe) из-за низких механических свойств не применяют для изготовления металлических изделий. Для них используют сплавы железа с углеродом и другими элементами в виде сталей и чугунов.

Сталь — сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Кроме углерода, в стали содержатся примеси марганца, кремния, фосфора, серы, кислорода, азота, водорода. Стали широко применяются для изготовления металлохозяйственных товаров.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали названы так по основному элементу — углероду. Углерод, которого в этих сталях не более 1,35 %, сильно влияет как на структуру, так и на свойства сталей. С увеличением его содержания возрастают твердость, прочность, упругость стали и снижаются ее пластичность, относительное удлинение. Примесями углеродистой стали являются марганец, кремний, сера, фосфор. Добавление марганца (0,5-0,8%) позволяет повысить твердость и прочность стали. Кремний (0,35-0,4%) повышает твердость, упругость, пластичность, текучесть стали. Нежелательные примеси углеродистых сталей - сера, фосфор, кислород, азот, водород.

По назначению углеродистые стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. По качеству конструкционные углеродистые стали подразделяют на сталь качественную и сталь обыкновенного качества; инструментальные — на качественную и высококачественную. В зависимости от степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную (сп).

Конструкционные углеродистые стали содержат углерод в небольшом количестве — 0,06—0,85 %, вследствие чего обладают пластичностью, хорошо обрабатываются литьем, давлением, резанием, пригодны для изготовления изделий (конструкций) сложной формы.

Для изготовления изделий, не испытывающих при эксплуатации больших нагрузок, например посуды, целесообразно использовать кипящую сталь, а для изделий с большими механическими воздействиями (ножи, инструменты) больше подходят полуспокойная и спокойная сталь.

Углеродистые инструментальные стали применяют для изготовления ножей, режущих инструментов, деталей бытовых машин (мельницы для кофе, перца, мясорубки и др.), испытывающих сильное трение при работе.

Легированные стали, кроме углерода, содержат один или несколько легирующих, специально добавляемых элементов. К легирующим элементам относят марганец, кремний, хром, никель, вольфрам, кобальт, молибден, ванадий, титан и др. Эти элементы в зависимости от их количества, сочетания между собой, изменяют структуру и свойства сталей. Данные стали превосходят углеродистые по твердости, износостойкости, жаропрочности, устойчивости к коррозии. Однако подобные стали дороже углеродистых, для выплавки их требуется большое количество цветных металлов.

По назначению легированные стали классифицируют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Конструкционные легированные стали характеризуются высокой прочностью к механическим нагрузкам и хорошей пластичностью, вязкостью.

Стали маркируют цифрами и буквами. Пример расшифровки стали марки 12Х2Н4А: 12 - 0,12% углерода, Х2 - 2% хрома, H4 - 4% никеля, А — высококачественная сталь.

Инструментальные легированные стали используют для изготовления режущих, сверлильных, измерительных и других инструментов, поскольку эти инструменты должны иметь повышенную износостойкость, особенно при высоких скоростях обработки и температуре.

Легированные стали и сплавы с особыми свойствами представлены коррозионностойкими (нержавеющими) сталями и сплавами с высоким сопротивлением электрическому току. Коррозион-ностойкие стали применяют для изготовления ножей, вилок и других столовых и кухонных принадлежностей, посуды и металлической галантереи. Нержавеющие стали отличаются устойчивостью к действию пищевых кислот, поваренной соли, они не разрушают витамины, содержащиеся в пище, ее вкус и цвет. Изделия из коррозионностойких сталей имеют красивый внешний вид. Эти важные потребительные свойства стали приобретают благодаря легированию хромом, никелем, титаном. С уменьшением содержания углерода устойчивость стали к коррозии возрастает. Высокие коррозионностойкие и механические свойства хромистые и хромоникелевые стали приобретают также в процессе термической и механической обработки.

Чугун — сплав железа с углеродом (содержание больше 2,14%) и другими элементами. Вырабатывают чугун выплавкой из железных руд в доменных печах.

По назначению чугуны классифицируют на передельные, литейные, высокопрочные, ковкие, легированные. Передельный (белый, за счет цементита) чугун используют для выплавки сталей.

Литейные (серые) чугуны содержат углерод 2,2-3,7% в химически не связанном состоянии в виде графита. Графит придает чугуну серый цвет на изломе. Металлохозяйственные изделия (посуда, корпуса мясорубок, замков, колунов и др.) из серого чугуна вырабатывают литьем в формы. Серые чугуны производятся 11 марок. Цифры в марке указывают предел прочности при растяжении (кгс/мм2).

Высокопрочные (модифицированные) чугуны производят с помощью добавки в расплавленные чугуны магния, церия и др. В результате обеспечивается высокая прочность и пластичность чугуна за счет выделения графита в шаровидной форме.

Ковкие чугуны производят выдержкой при 950—970 °С в течение 10-15 ч с последующим медленным охлаждением отливок из белого чугуна, которые содержат меньше углерода, кремния, марганца, серы. По сравнению с серыми чугунами ковкие чугуны прочнее на разрыв, устойчивее к ударам, повторно переменным нагрузкам, их применяют для изделий, испытывающих подобные нагрузки (гаечные ключи, гайки, крюки, детали водопроводных труб и др.). Существуют 9 марок ковких чугунов.