Диаграмма железо—цементит охватывает состояние железоуглеродистых сплавов, которые содержат до 6,67 % углерода.

Рис. 7. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (сплошные линии – система Fe—Fe ₃ C; штриховые – система Fe—C)

Углеродистые стали – это сплавы железа, содержащие до 2,14 % углерода. Стали, имеющие в своем составе до 0,8 % углерода, называются доэвтектоидными, 0,8 % углерода – эв—тектоидными, свыше 0,8 до 2,14 % – заэвтектоидными. Белые чугуны – это сплавы железа, содержащие от 2,14 до 6,67 % углерода.

При содержании от 2,14 до 4,3 % углерода белые чугуны называются доэвтектическими, при 4,3–6,67 % – заэвтекти—ческими. На диаграмме железо—цементит показано состояние этого сплава при первичной и вторичной кристаллизации. Эти процессы характеризуются кривыми АСВ и AECF.

Кривая АСВ – линия ликвидуса – отображает температуры, при которых начинается затвердевание железоуглеродистых сплавов. Кривая AECF – линия солидуса – соответствует температурам, при которых процесс кристаллизации заканчивается. Линия АЕ относится к сталям, а линия ACF – к белым чугунам. Точка А характеризует температуру плавления чистого железа – +1539 °C, а точка В – температуру плавления цементита – +1600 °C. Точка Е соответствует максимальному количеству углерода, которое может быть растворено в аустените при высоких температурах. Точка С указывает на состав эвтектики, она соответствует содержанию в сплаве 4,3 % углерода. Температура образования эвтектики – +1147 °C. Линия ECF называется эвтектической, так как в любой ее точке происходит образование эвтектики (ледебурита) На линии CF (заэвтектические чугуны) из жидкого сплава выделится тот компонент, который является избыточным по отношению к эвтектике, т. е. цементит. Так как цементит образуется при первичной кристаллизации, его называют первичным. На линии CF возникает эвтектика – ледебурит. Следовательно, в результате первичной кристаллизации за—эвтектические чугуны будут состоять из первичного цементита и ледебурита.

Линия ECF (+1147 °C) называется эвтектической, так как на ней происходит образование механической смеси аустенита и цементита – ледебурита. Ледебурит имеет эвтектический состав, следовательно, его кристаллизация протекает при постоянной температуре +1147 °C. В результате первичной кристаллизации сталь получает структуру аустенита, характеризующуюся хорошей пластичностью и вязкостью. Поэтому такая сталь хорошо поддается обработке давлением при высоких температурах. Белые чугуны имеют в своем составе хрупкий и твердый ледебурит, который исключает возможность их обработки давлением даже при высоких температурах. Линия PSK на диаграмме характеризует температуру. при которой завершаются процессы вторичной кристаллизации. Для сталей, представленных на диаграмме, эта температура равна +727 °C. При температурах ниже +727 °C существенных превращений в сталях не наблюдается, структура, полученная при +727 °C, сохраняется при дальнейшем охлаждении сплава (вплоть до комнатной температуры). Линия PSK называется эвтектоидной. Точка S диаграммы соответствует составу эвтектоида – перлиту.

Стали служат материальной основой машиностроения, строительства и других отраслей промышленности. Стали являются основным сырьем для производства листового и профильного проката.

По способу производства стали разделяют на бессемеровскую, конверторную (с продувкой кислородом), мартеновскую, электросталь, тигельную и сталь, получаемую прямым восстановлением из обогащенной руды (окатышей); по химическому составу – на углеродистые и легированные; по назначению – на конструкционные, инструментальные, автоматные и стали с особыми свойствами.

Стали всегда содержат различные примеси. Чем меньше вредных примесей, тем выше качество стали. В зависимости от качества различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества относятся к числу наиболее дешевых и широко применяемых.

В зависимости от назначения углеродистые стали обыкновенного качества подразделяются на три группы: А – поставляемые по механическим свойствам, Б – поставляемые по химическому составу и В – поставляемые по механическим свойствам и химическому составу. В зависимости от нормируемых показателей (прочностная характеристика, химический состав) сталь каждой группы подразделяют на категории: группа А – 1, 2 и 3–я; группа Б – 1, 2–я; группа В – 1, 2, 3, 4, 5, 6–я.

Группа А включает стали следующих марок: Ст 0, Ст 1 кп, Ст 1 пс и т. д. до СТ всп. Буквы «Ст» означают «сталь», цифры от 0 до 6 – условный номер марки, характеризующий механические свойства стали. С увеличением номера марки повышаются предел прочности ?_В и предел текучести ?_Т и уменьшается относительное удлинение. Для обозначения степени раскисления после номера марки ставятся индексы: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная (например, Ст 3 кп, Ст 3 пс, Ст 3 сп).

В группу Б входят стали следующих марок: БСт 0, БСт 1 кп и т. д. до БСт 6 кп. Для стали группы Б предусмотрены две категории. В первую категорию входят стали всех марок, содержащие следующие химические элементы: углерод, марганец, кремний, фосфор, серу, мышьяк, азот. Ко второй категории относятся стали марок от БСт 1 до БСт 6, имеющие в своем составе хром, никель и медь.

В группу В входят стали марок ВСт 1, ВСт 2, ВСт 3, ВСт 4 и ВСт 5. Добавляемые к марке индексы пс, сп и кп означают степень раскисления стали, например: ВСт 3 сп, ВСт 3 гпс и т. д. Буква «г» после номера указывает на повышенное содержание марганца.

Для автоматизированных металлорежущих станков металлургической промышленностью производятся специальные автоматные стали, способные образовывать ломкую, легко сходящую и легко удаляемую стружку. Это стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием. Высокая обрабатываемость таких сталей достигается за счет увеличения содержания серы и фосфора (до 0,35 %), а также введения свинца (до 0,35 %).

Автоматные стали применяются в крупносерийном и массовом производствах. Из них изготовляют детали неответственного назначения для автомобилей и тракторов (крепеж, оси, втулки и др.).

Чугун – первичный продукт переработки железных руд путем плавки в доменных печах. В структуре чугунов могут быть разные составляющие в зависимости от того, какая часть углерода оказывается в структурно—свободном состоянии. Это же определяет название чугунов: белый, серый, высокопрочный, ковкий.

Чугун – самый распространенный железоуглеродистый литейный материал, содержащий свыше 2 % углерода, до 4,5 % – кремния, до 1,5 % – марганца, до 1,8 % – фосфора и до 0,08 % – серы. Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому широко используется в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения.

Белый чугун представляет собой сплав железа с углеродом в виде карбида железа Fe ₃ C, т. е. углерод находится в связанном состоянии в виде химического соединения – цементита. Содержание углерода в белом чугуне колеблется в пределах от 2,14 до 6,67 %, причем первичная структура белых чугунов может содержать ледебурит, аустенит и первичный цементит. Кроме того, в микроструктуру белых доэвтектических чугу—нов входят перлит, вторичный цементит и ледебурит – при комнатных температурах. При содержании от 2,14 до 4,3 % углерода белые чугуны называются доэвтектическими, при 4,3 % – эвтектическими и при 4,3–6,67 % – заэвтектическими.

Серый чугун широко применяется в машиностроении. Такое название он получил по серому цвету излома, обусловленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. Металлургическая промышленность выпускает одиннадцать марок серых чугунов: СЧ 10 – из него изготавливают детали, для которых прочностная характеристика не является обязательной, – запорную арматуру (вентили, клапаны, задвижки), сковороды, крышки и так далее; СЧ 15, СЧ 18 – из них изготавливают рычаги, шкивы, фланцы, звездочки, корпусные малонагруженные детали.

Высокопрочный чугун получают путем введения магния – до 0,9 % и церия – до 0,05 % в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы.

Высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. В обозначение их марок входят два числа – первое указывает предел прочности на разрыв, второе – относительное удлинение.

Всего выпускают десять марок высокопрочного чугуна.

Например: ВЧ 38–17, ВЧ 42–12, ВЧ 45–5, ВЧ 50–7, ВЧ 100–2, ВЧ 120–2. Из высокопрочных чугунов изготавливают многие детали, в том числе фасонные, корпуса и станины станков, гильзы, цилиндры, зубчатые колеса и т. д.

Выпуска 11 марок ковкого чугуна, причем маркируется он по тому же принципу, что и высокопрочный. Ковкие чугуны могут иметь ферритную, перлитную и ферритил—перлитную металлическую основу.

Чугуны ферритного класса КЧ 35–10 и КЧ 37–12 используют для производства деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках, – картеров, редукторов, ступиц и т. д., а чугуны марок КЧ 30–6 и КЧ 33–8 – для изготовления менее ответственных деталей – хомутов, гаек, вентилей, колодок и т. д.