Смесь углерода с металлом

Обновлено: 29.04.2024

КАРБИДЫ (от латинского carbo – уголь) – соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием. Эти соединения обладают удивительным разнообразием физических и химических свойств. Так, карбид золота Au₂C₂ взрывается уже при попытке пересыпать его с листочка фильтровальной бумаги, на котором он был высушен. С другой стороны, карбиды некоторых элементов (например, бора и тантала) не разлагаются даже при температуре белого каления и настолько химически инертны, что на них не действует царская водка, а по твердости они приближаются к алмазу!

Впервые необычное соединение металла с углеродом (К₂С₂) получил в 1809 знаменитый английский химик Гемфри Дэви. В 1863 французский химик Марселен Бертло изучил свойства другого карбида – очень неустойчивого и легко взрывающегося карбида одновалентной меди Cu₂C₂. В 1878 немецкий металлург Ф.Мюллер, растворив образцы стали в разбавленной серной кислоте, выделил карбид железа Fe₃C. Но только в конце 19 в. французский химик Анри Муассан, прославившийся получением фтора, синтезировал многие из этих необычных соединений и изучил их свойства. Он получал карбиды, нагревая до очень высокой температуры смеси древесного угля с разными металлами, их оксидами или карбонатами. Для этого он использовал жар вольтовой дуги в электрической печи собственной конструкции.

Карбиды, как оказалось, можно получить не только в лаборатории. Еще до работ Муассана австрийский ученый Э.Вайнсхенк в 1889 открыл в метеоритах минерал когенит, представляющий собой смешанный карбид железа, кобальта и никеля состава (FeNiCo)₃C. А сам Муассан в 1904 обнаружил в метеорите, привезенном из каньона Диабло в штате Аризона, темно-зеленый минерал, представляющий собой карбид кремния SiC. Этот минерал в честь ученого назвали муассанитом.

Раньше карбиды классифицировали по их устойчивости к действию воды и кислот, а также по тому, какие газы выделяются при их разложении. Современная классификация учитывает тип химической связи между атомами в карбидах – именно от этого зависят в основном физические и химические свойства. В соответствии с этой классификацией, карбиды можно разделить на три группы, которые довольно сильно отличаются по своим свойствам.

К первой группе относятся так называемые солеобразные карбиды с ионной связью. Эти карбиды образуют щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий, редкоземельные элементы, а также актиноиды. Их состав иногда соответствует типичным валентностям металлов (Al₄C₃), а иногда – нет (Ве₂С). Многие ионные карбиды можно получить непосредственно из элементов (Са + 2С ® СаС₂) или восстановлением оксидов углеродом (СаО + 3С ® СаС₂ + СО). Ионный характер связи приводит к высокой температуре плавления; например, карбид кальция СаС₂ плавится при 2300° С, карбид тория ThC₂ – при 2655° С. Водой или разбавленными кислотами ионные карбиды легко разлагаются – гидролизуются. При этом образуются различные углеводороды и гидроксид металла. Самый известный пример – получение ацетилена гидролизом карбида кальция: СаС₂ + 2Н₂О ® Ca(OH)₂ + С₂Н₂. Ацетилен выделяется также при гидролизе Na₂C₂, К₂С₂ и др. Поэтому такие карбиды можно рассматривать как производные ацетилена, в которых атомы водорода замещены атомами металла. При этом катионы металла и анионы С₂ –2 размещаются в соответствующих узлах кристаллической решетки. Солеобразный характер этих карбидов подтверждается возможностью их электролиза в расплавленном состоянии. Интересно отметить, что чистый карбид кальция – бесцветные кристаллы, хотя увидеть их непросто, так как обычный технический продукт имеет цвет от бурого до черного.

Взаимодействие карбидов щелочных металлов с водой протекает исключительно бурно. Так, если карбид калия просто облить водой, произойдет бурная реакция, которая сопровождается взрывом такой силы, что выделяющийся ацетилен сразу же разлагается с выделением угля. Чтобы провести реакцию К₂С₂ + 2Н₂О ® 2КОН + С₂Н₂, надо медленно пропускать над карбидом водяной пар.

В ряде случаев карбиды ионного типа образуются непосредственно при пропускании ацетилена через растворы солей металлов. Так карбиды серебра, меди(I), золота и ртути, которые чаще называют ацетиленидами. Ацетилениды щелочных металлов можно получить действием ацетилена на свободные металлы. В сухом виде ацетилениды тяжелых металлов легко разлагаются со взрывом. Гидролиз ионных карбидов других металлов показывает, что они «происходят» из других углеводородов. Например, при гидролизе карбида алюминия выделяется метан: Al₄C₃ + 12H₂O ® 4Al(OH)₃ + 3CH₄ (так же гидролизуется карбид бериллия Ве₂С), а при гидролизе карбида магния получается метилацетилен: Mg₂C₃ + 4H₂O ® 2Mg(OH)₂+ НС≡С–СН₃. Интересно, что карбид магния другого состава, MgC₂, дает при гидролизе только ацетилен. Иногда при гидролизе ионных карбидов углеводороды выделяются совместно с водородом, который частично гидрирует непредельные углеводороды. С выделением почти равных количеств водорода и метана разлагается карбид марганца: Mn₃C + 6H₂O ® 3Mn(OH)₂ + CH₄ + H₂. Карбиды редкоземельных металлов и тория при разложении разбавленными кислотами выделяют не чистый ацетилен, а его смесь с метаном, этиленом и другими углеводородами. Например, при гидролизе карбида церия СеС₂ получается смесь ацетилена с метаном в соотношении 4:1, а также немного этилена и жидких и твердых углеводородов (состав продуктов зависит от условий проведения реакции). Еще больше жидких и твердых углеводородов дает при гидролизе карбид урана.

Выделение углеводородов при гидролизе карбидов позволило Д.И.Менделееву выдвинуть так называемую карбидную теорию происхождения нефти в глубинах Земли из неорганических веществ. По представлению Менделеева, в глубинах земного шара должны быть расплавленные металлы, в основном железо, которое с углеродом дает карбид. Во время горообразования в земной коре образуются трещины, по которым в глубины проникает вода. Воздействуя на карбид железа и карбиды других металлов, вода (в виде пара) образует углеводороды, например: 2FeC + 3H₂O ® Fe₂O₃ + C₂H₄. Газообразные углеводороды по тем же трещинам поднимаются ближе к поверхности, где скапливаются в пористых пластах. Однако когда в 60-е гг. 20 в. был подробно изучен состав углеводородов нефти, оказалось, что смесь «искусственных углеводородов», образующихся при гидролизе карбидов, по своему составу резко отличается от природной смеси. Кроме того, все нефти, полученные неорганическим путем, оптически неактивны, тогда как природная нефть оптически активна. На основании этих, а также ряда других фактов неорганическая теория происхождения нефти была подвергнута критике, и в настоящее время многие ученые полагают, что нефть имеет биологическое происхождение.

Ко второй группе относятся карбиды, которые образуют переходные металлы IV–VII групп, а также кобальт, железо и никель. Это металлоподобные соединения с другой структурой. В них атомы углерода, имеющие небольшие размеры, не связаны друг с другом и располагаются в пустотах между атомами металлов. Различная упаковка атомов металла в кристаллической решетке приводит к разному составу карбидов даже для одного и того же металла; например, хром образует карбиды состава Cr₃C₂, Cr₄C, Cr₇C₃ и др. Эти карбиды (их называют карбидами внедрения) часто отличаются большой твердостью и очень высокими температурами плавления. Например, карбиды тантала и гафния TaC и HfC – наиболее тугоплавкие из известных веществ (плавятся при 3985 и 3890° С соответственно).

Металлоподобные карбиды обладают высокой электропроводностью и очень высокой химической стойкостью к агрессивным средам (многие из них не растворяются даже в царской водке). Они используются для упрочнения чугуна и стали (карбиды железа, хрома, вольфрама, молибдена), а также для производства очень твердых сплавов, которые применяют для обработки металлов резанием (карбиды WC, TiC, TaC, VC, Cr₃C₂). Например, твердые наконечники резцов, сверл делают из победита – спеченного порошка карбида вольфрама WC с добавкой металлического кобальта. Очень важную роль играет карбид железа Fe₃C (цементит) – твердые кристаллы, входящие в структуру чугуна и стали.

Карбид вольфрама WC используют также для изготовления буровых коронок, деталей аппаратуры для производства синтетических алмазов, для нанесения износостойких покрытий на поверхности металлов. Карбид титана интересен ярким проявлением нестехиометрии: состав этого соединения выражается формулой TiC_х, где х колеблется в пределах от 0,49 до 1 (см. СТЕХИОМЕТРИЯ). Это вещество, как и карбид вольфрама, используют как компонент жаропрочных, жаростойких и твердых сплавов, для получения износостойких покрытий, для изготовления тугоплавких тиглей, в которых можно плавить почти любые металлы (сам карбид плавится при 3257° С). Карбидом титана выкладывают внутренние стенки высокотемпературных печей.

К третьей группе относятся ковалентные карбиды. Их образуют кремний и бор – соседи углерода по периодической таблице, близкие к нему как по размеру атомов, так и по электроотрицательности. Карбид кремния SiC (техническое название – карборунд) в чистом виде – бесцветные кристаллы, но примеси часто окрашивают его в различные цвета, вплоть до черного. По своей структуре это соединение аналогично алмазу; решетку карбида кремния можно получить, если в немного расширенной решетке алмаза заменить половину атомов углерода на атомы кремния. Это вещество обладает очень высокой твердостью; помимо этого оно имеет свойства полупроводника. Из него делают шлифовальные бруски и круги, огнеупорные материалы для печей и литейных машин, нагревательные элементы для электропечей, полупроводниковые диоды.

Бор образует по два карбида с точно известной структурой – В₄С и В₁₃С₂. Наибольшее значение имеет первый из них – черные блестящие кристаллы, которые по твердости уступают лишь алмазу и нитриду бора BN. Этот карбид применяют для изготовления абразивных и шлифовальных материалов и в качестве полупроводника. Карбид, обогащенный изотопом 10 В, используется как поглотитель нейтронов в ядерных реакторах.

Углерод. Химия углерода и его соединений

Углерод расположен в главной подгруппе IV группы (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение углерода

Электронная конфигурация углерода в основном состоянии :

+6С 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2p

Электронная конфигурация углерода в возбужденном состоянии :

+6С * 1s 2 2s 1 2p 3 1s 2p

Атом углерода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома углерода — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

Физические свойства

Углерод в природе существует в виде нескольких аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Алмаз — это модификация углерода с атомной кристаллической решеткой. Алмаз — самое твердое минеральное кристаллическое вещество, прозрачное, плохо проводит электрический ток и тепло. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp 3 -гибридизации.

Графит — это аллотропная модификация, в которой атомы углерода находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. При этом атомы связаны в плоские слои, состоящие из шестиугольников, как пчелиные соты. Слои удерживаются между собой слабыми связями. Это наиболее устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода.

Графит — мягкое вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском. Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь.

Карбин — вещество, в составе которого атомы углерода находятся в sp-гибридизации. Состоит из цепочек и циклов, в которых атомы углерода соединены двойными и тройными связями. Карбин — мелкокристаллический порошок серого цвета.

[=C=C=C=C=C=C=]_n или [–C≡C–C≡C–C≡C–]_n

Фуллерен — это искусственно полученная модифицикация углерода. Молекулы фуллерена — выпуклые многогранники С₆₀, С₇₀ и др. Многогранники образованы пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Фуллерены — черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников.

В природе углерод встречается как в виде простых веществ (алмаз, графит), так и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).

Качественные реакции

Качественная реакция на карбонат-ионы CO₃ 2- — взаимодействие солей-карбонатов с сильными кислотами . Более сильные кислоты вытесняют угольную кислоту из солей. При этом выделяется бесцветный газ, не поддерживающий горение – углекислый газ.

Например , карбонат кальция растворяется в соляной кислоте:

Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Качественная реакция на углекислый газ CO₂ – помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется, т.к. карбонат кальция под действием избытка углекислого газа переходит в растворимый гидрокарбонат кальция:

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом (качественная реакция на углекислый газ) можно посмотреть здесь.

Углекислый газ СО₂ не поддерживает горение . Угарный газ CO горит голубым пламенем.

Соединения углерода

Основные степени окисления углерода — +4, +2, 0, -1 и -4.

Наиболее типичные соединения углерода:

карбиды металлов (карбид алюминия Al₄C₃)

Химические свойства

При нормальных условиях углерод существует, как правило, в виде атомных кристаллов (алмаз, графит), поэтому химическая активность углерода — невысокая.

1. Углерод проявляет свойства окислителя (с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому углерод реагирует и с металлами , и с неметаллами .

1.1. Из галогенов углерод при комнатной температуре реагирует с фтором с образованием фторида углерода:

1.2. При сильном нагревании углерод реагирует с серой и кремнием с образованием бинарного соединения сероуглерода и карбида кремния соответственно:

C + 2S → CS₂

C + Si → SiC

1.3. Углерод не взаимодействует с фосфором .

При взаимодействии углерода с водородом образуется метан. Реакция идет в присутствии катализатора (никель) и при нагревании:

1.4. С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:

2С + N₂ → N≡C–C≡N

1.5. В реакциях с активными металлами углерод проявляет свойства окислителя. При этом образуются карбиды:

2C + Ca → CaC₂

1.6. При нагревании с избытком воздуха графит горит , образуя оксид углерода (IV):

при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C + O₂ → 2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Углерод взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Раскаленный уголь взаимодействует с водяным паром с образованием угарного газа и водорода:

C 0 + H₂ + O → C +2 O + H₂ 0

2.2. Углерод восстанавливает многие металлы из основных и амфотерных оксидов . При этом образуются металл и угарный газ. Получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений называют пирометаллургией.

Например , углерод взаимодействует с оксидом цинка с образованием металлического цинка и угарного газа:

ZnO + C → Zn + CO

Также углерод восстанавливает железо из железной окалины:

4С + Fe₃O₄ → 3Fe + 4CO

При взаимодействии с оксидами активных металлов углерод образует карбиды.

Например , углерод взаимодействует с оксидом кальция с образованием карбида кальция и угарного газа. Таким образом, углерод диспропорционирует в данной реакции:

3С + СаО → СаС₂ + СО

2.3. Концентрированная серная кислота окисляет углерод при нагревании. При этом образуются оксид серы (IV), оксид углерода (IV) и вода:

2.4. Концентрированная азотная кислотой окисляет углерод также при нагревании. При этом образуются оксид азота (IV), оксид углерода (IV) и вода:

2.5. Углерод проявляет свойства восстановителя и при сплавлении с некоторыми солями , в которых содержатся неметаллы с высокой степенью окисления.

Например , углерод восстанавливает сульфат натрия до сульфида натрия:

Карбиды

Карбиды – это соединения элементов с углеродом . Карбиды разделяют на ковалентные и ионные в зависимости от типа химической связи между атомами.

Например :

Это соединения с металлами, при гидролизе которых образуется пропин

Например : Mg₂C₃

Например:

СаС₂+ 2Н₂O →

Пропиниды разлагаются водой или кислотами с образованием пропина и гидроксида или соли

Все карбиды проявляют свойства восстановителей и могут быть окислены сильными окислителями .

Например , карбид кремния окисляется концентрированной азотной кислотой при нагревании до углекислого газа, оксида кремния (IV) и оксида азота (II):

SiC + 8HNO₃ → 3SiO₂ + 3CO₂ + 8NO + 4H₂O

Оксид углерода (II)

Строение молекулы и физические свойства

Оксид углерода (II) («угарный газ») – это газ без цвета и запаха. Сильный яд. Небольшая концентрация угарного газа в воздухе может вызвать сонливость и головокружение. Большие концентрации угарного газа вызывают удушье.

Строение молекулы оксида углерода (II) – линейное. Между атомами углерода и кислорода образуется тройная связь, за счет дополнительной донорно-акцепторной связи:

Способы получения

В лаборатории угарный газ можно получить действием концентрированной серной кислоты на муравьиную или щавелевую кислоты:

НСООН → CO + H₂O

В промышленности угарный газ получают в газогенераторах при пропускании воздуха через раскаленный уголь:

CO₂ + C → 2CO

Еще один важный промышленный способ получения угарного газа — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

Также возможна паровая конверсия угля:

Угарный газ в промышленности также можно получать неполным окислением метана:

Химические свойства

Оксид углерода (II) – несолеобразующий оксид . За счет углерода со степенью окисления +2 проявляет восстановительные свойства.

1. Угарный газ горит в атмосфере кислорода . Пламя окрашено в синий цвет:

2. Оксид углерода (II) окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием фосгена. Фосген – ядовитый газ.

3. Угарный газ взаимодействует с водородом при повышенном давлении . Смесь угарного газа и водорода называется синтез-газ. В зависимости от условий из синтез-газа можно получить метанол, метан, или другие углеводороды.

Например , под давлением больше 20 атмосфер, при температуре 350°C и под действием катализатора угарный газ реагирует с водородом с образованием метанола:

4. Под давлением оксид углерода (II) реагирует с щелочами. При этом образуется формиат – соль муравьиной кислоты.

Например , угарный газ реагирует с гидроксидом натрия с образованием формиата натрия:

CO + NaOH → HCOONa

5. Оксид углерода (II) восстанавливает металлы из оксидов .

Например , оксид углерода (II) реагирует с оксидом железа (III) с образованием железа и углекислого газа:

Оксиды меди (II) и никеля (II) также восстанавливаются угарным газом:

СО + CuO → Cu + CO₂

СО + NiO → Ni + CO₂

6. Угарный газ окисляется и другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов.

Например , пероксидом натрия:

Оксид углерода (IV)

Оксид углерода (IV) (углекислый газ) — газ без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Замороженный углекислый газ называют также «сухой лед». Сухой лед легко подвергается сублимации — переходит из твердого состояния в газообразное.

Смешивая сухой лед и различные вещества, можно получить интересные эффекты. Например, сухой лед в пиве:

Углекислый газ не горит, поэтому его применяют при пожаротушении.

Молекула углекислого газа линейная , атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации, образует две двойных связи с атомами кислорода:

Обратите внимание! Молекула углекислого газа не полярна. Каждая химическая связь С=О по отдельности полярна, а вся молекула не будет полярна. Объяснить это очень легко. Обозначим направление смещения электронной плотности в полярных связях стрелочками (векторами):

Теперь давайте сложим эти векторы. Сделать это очень легко. Представьте, что атом углерода — это покупатель в магазине. А атомы кислорода — это консультанты, которые тянут его в разные стороны. В данном опыте консультанты одинаковые, и тянут покупателя в разные стороны с одинаковыми силами. Несложно увидеть, что покупатель двигаться не будет ни влево, ни вправо. Следовательно, сумма этих векторов равна нулю. Следовательно, полярность молекулы углекислого газа равна нулю.

В лаборатории углекислый газ можно получить разными способами:

1. Углекислый газ образуется при действии сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты металлов. При этом взаимодействуют с кислотами и нерастворимые карбонаты, и растворимые.

Еще один пример : гидрокарбонат натрия реагирует с бромоводородной кислотой:

2. Растворимые карбонаты реагируют с растворимыми солями алюминия, железа (III) и хрома (III) . Карбонаты трехвалентных металлов необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: хлорид алюминия реагирует с карбонатом калия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется хлорид калия:

3. Углекислый газ также образуется при термическом разложении нерастворимых карбонатов и при разложении растворимых гидрокарбонатов.

Например , карбонат кальция разлагается при нагревании на оксид кальция и углекислый газ:

Углекислый газ — типичный кислотный оксид . За счет углерода со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства .

1. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с водой . Реакция очень сильно обратима, поэтому мы считаем, что в реакциях угольная кислота распадается почти полностью при образовании.

2. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с основными оксидами и основаниями . При этом углекислый газ реагирует только с сильными основаниями (щелочами) и их оксидами . При взаимодействии углекислого газа с щелочами возможно образование как кислых, так и средних солей.

Например , гидроксид калия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат калия:

При избытке щелочи образуется средняя соль, карбонат калия:

Помутнение известковой воды — качественная реакция на углекислый газ:

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция (известковая вода) с углекислым газом можно посмотреть здесь.

3. Углекислый газ взаимодействует с карбонатами . При пропускании СО₂ через раствор карбонатов образуются гидрокарбонаты.

Например , карбонат натрия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат натрия:

4. Как слабый окислитель, углекислый газ взаимодействует с некоторыми восстановителями .

Например , углекислый газ взаимодействует с углеродом с образованием угарного газа:

Магний горит в атмосфере углекислого газа:

2М g + CO ₂ → C + 2 MgO

Видеоопыт взаимодействия магния с углекислым газом можно посмотреть здесь.

Поэтому углекислый газ нельзя применять для пожаротушения горящего магния.

Углекислый газ взаимодействует с пероксидом натрия. При этом пероксид натрия диспропорционирует:

Карбонаты и гидрокарбонаты

При нагревании карбонаты (все, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония) разлагаются до оксида металла и оксида углерода (IV).

Карбонат аммония при нагревании разлагается на аммиак, воду и углекислый газ:

Гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:

Качественной реакцией на ионы СО₃ 2─ и НСО₃ − является их взаимодействие с более сильными кислотами , последние вытесняют угольную кислоту из солей, а та разлагается с выделением СО₂.

Например , карбонат натрия взаимодействует с соляной кислотой:

Гидрокарбонат натрия также взаимодействует с соляной кислотой:

NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂ ↑ + H₂O

Гидролиз карбонатов и гидрокарбонатов

Растворимые карбонаты и гидрокарбонаты гидролизуются по аниону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:

Однако карбонаты и гидрокарбонаты алюминия, хрома (III) и железа (III) гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

Сплав железа с углеродом

Открытие сплава железа с углеродом явилось одним из самых важных событий в истории развития металлургии. Именно эти два элемента подарили миру наиболее востребованные марки стали и чугуна. Это те сплавы, из которых производится большая часть промышленного оборудования, металлических конструкций, инструмента, изделий бытового назначения.

В зависимости от процентного содержания углерода в железе, а также способа литья эти сплавы приобретают разные свойства: стойкость к коррозии, необычайную прочность, эластичность и т. д. О том, какие сплавы железа и углерода используются сегодня и как их получают, вы узнаете из нашего материала.

История открытия сплавов железа с углеродом

Выдающийся изобретатель Дмитрий Чернов прославился диаграммой «железо-углерод» и открытием, связанным с полиморфными превращениями. Именно он стал первооткрывателем особых точек в таких сплавах, как чугун и сталь. По мнению ученого, на расположение точек на диаграмме влияет процентная доля углерода.

Открытие стало настолько значимым, что положило начало новой науке – металлографии.

Сама диаграмма сплава железа с углеродом – это масштабный проект, разработанный несколькими учеными из разных уголков мира. Именно поэтому обозначения фаз и основных точек являются международными.

Структурные составляющие сплавов железо-углерод

Основа чугуна и стали – сплав железа с углеродом. Оба черных сплава являются незаменимыми при создании конструкционных деталей для техники. Их качества и структура определяются свойствами базовых компонентов и примесей. Также важно учитывать характер взаимодействия элементов.

Чистое железо – это серебристо-белый металл, который имеет температуру плавления +1 539 °С. Металл является тугоплавким и может обладать одной из полиморфных модификаций – a либо g.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Нагрев железа приводит к превращению решетки из объемно-центрированной в гранецентрированную. Для создания g-железа необходим высокотемпературный режим – от +910 °С до +1 392 °С.

Углерод представляет собой неметаллический элемент. Его температура плавления составляет +3 500 °С. В природе элемент способен существовать в виде алмаза или графита. Первая полиморфная модификация в сплавах не встречается.

Если говорить об углеродистой структуре в сплаве железо-углерод, то она слоистая. В связи с этим неметаллический элемент в свободном виде имеет форму графита, особенность которого заключается в низких показателях пластичности и прочности.

Углерод растворим в железе и в жидком, и в твердом состоянии. Он способен создать химическое соединение под названием цементит, где углерод в свободном виде также будет иметь форму графита.

Возможные составляющие сплавов железа с углеродом перечислены ниже:

Диаграмма сплава железо-углерод

На диаграмме сплава можно выделить следующие границы:

Линия ледебуритного превращения (линия ECF). Если содержание углерода в сплаве выше 2,14 %, то при его охлаждении жидкая фаза под линией становится ледебуритом.
Линия ликвидус (линия ACD). Ее особенность заключается в том, что при снижении температуры под ней запускается кристаллизация сплавов.
Линия перлитного превращения (линия PSK). При снижении температуры сплав под ней из аустенита превращается в перлит.
Линия солидус (линия AECF). При снижении температуры сплав под ней становится твердым.

Также на диаграмме присутствует несколько важных точек:

Обычно температурный режим, при котором достигается необходимое состояние сплава, обозначается буквой А.

Из-за того, что фазы в сплавах железа с углеродом имеют разные температуры при нагреве и охлаждении, приходится вводить дополнительные обозначения.

Как читать диаграмму сплава железа с углеродом

Сплавы системы железо-углерод имеют свойство меняться при охлаждении или нагреве, повышении или снижении давления. Графически такие процессы обозначены на диаграмме состояния. Благодаря ей можно понять, как происходит то или иное превращение сплава.

Состав сплава с первоначальной долей углерода при заданной температуре можно увидеть, если двигаться по вертикальной прямой, которая соответствует содержанию в сплаве углерода.

Правило легче понять на примере, поэтому рассмотрим на диаграмме зону AEC. Возле нее находятся области жидкой фазы и аустенита (AESG). Следовательно, соединение в данной области состоит из образующегося твердого аустенита и жидкой фазы.

Определим для него концентрация углерода, двигаясь по разным фазам. Для этого нужно знать изначальную концентрацию углерода и заданную температуру. В примере это 2,5 % и +1 250 °С.

Теперь из точки графика нужно провести горизонтальную линию. Ее пересечение с АЕ, которая граничит с зоной аустенита, покажет содержание углерода в аустените при температуре +1 250 °С.

Если же прямая будет пересекаться с АС, которая граничит с зоной жидкой фазы, то можно узнать концентрацию углерода уже в жидкой фазе.

При сохранении температуры по данному методу определимо процентное содержание углерода в фазах абсолютно любого сплава:

в области AEC в аустените и в жидкой фазе;
в области CDF в жидкой фазе (процентное содержание углерода в цементите при этом неизменно – 6,67 %);
в области GPS в аустените и в феррите;
в области QPKL в феррите;
в области SEFK в аустените.

Когда содержание углерода становится выше, чем 2,14 %, охлаждаемый сплав получает насыщение углеродом ближе к 4,3 % (по линиям DC и AC) по мере приближения к температуре +1 147 °С (на уровне ECF). Затем жидкость превращается в эвтектику (ледебурит). Среднее содержание углерода остается неизменным.

Применение стали из железоуглеродистых сплавов

Сталь, как и чугун, представляет собой сплав железа с углеродом. Металлы имеют широкое распространение, особенно часто их задействуют в машиностроении.

В стали концентрация углерода составляет не более 2 %.

Примеры металла:

инструментальная сталь;
конструкционная сталь;
техническое железо.

Если в стали содержание углерода было строго меньше 2 %, то в чугуне – больше. В среднем, концентрация вещества составляет от 2,5 до 3,5 %.

Помимо железа и углерода в металлах содержатся такие добавки:

марганец и кремний, содержание которых исчисляется в десятых долях процента (от 0,15 до 0,6 %);
фосфор и сера, концентрация которых составляет сотые доли процента (от 0,05 до 0,03 %).

Сталь, в которой концентрация углерода составляет не более 0,7 %, часто используется для создания:

листов;
проволоки;
ленты;
фасонного профиля разных видов;
уголкового железа;
таврового железа;
различных деталей, используемых в машиностроении (например, осей, шестерен, болтов, кувалд, молотков и др.).

Сталь, в которой концентрация углерода составляет более 0,7 %, используется при изготовлении режущих инструментов:

бородок;
резцов;
зубил;
сверл;
метчиков.

Свойства данного сплава железа с углеродом зависят от концентрации неметаллического компонента. Так, чем больше будет углерода, тем прочнее и тверже получится сталь.

Разновидности чугуна из сплава железа с углеродом

Выделяют два основных вида чугуна – литейный и предельный. Первый вид принято использовать в производстве и промышленной сфере. Второй находит применение в создании стали кислородно-конвертерным путем. В получившемся соединении доля марганца и кремния крайне мала.

Литейный чугун также имеет несколько разновидностей:

Половинчатая. Такой чугун имеет специальные свойства, так как часть углерода из состава имеет форму цементита, а другая часть – форму графита.
Белая. Здесь углерод находится в виде карбида железа. Название произошло от белого оттенка разлома. Белый чугун не находит применения в чистом виде, но активно используется при создании ковкого чугуна.
Серая. Отлив на изломе серебристый, поэтому такой чугун называют серым. Сфера использования материала достаточно широкая, в том числе и потому, что чугун легко обрабатывать резцами.
Высокопрочная. Данная разновидность способна увеличить прочность любого материала, куда она будет добавлена. Материал получают из серого чугуна и небольшого количества магния.
Ковкая. Как и в случае высокопрочной разновидности, в основе находится серый чугун. Повысить пластичность помогает процесс отжига.

Полиморфные превращения в сплавах железо-углерод

Полиморфные превращения в сплавах железа с углеродом происходят при соблюдении температурного режима.

Если температура составляет меньше +911 °С, то состояние железа называется α-феррумом. Кристаллическая решетка железа – ОЦК, что расшифровывается как объемный гранецентрированный куб. Особенность решетки состоит в большом расстоянии между атомами.

При температуре от +911 до +1392 °С у железа наблюдается модификация гамма. Кристаличесская решетка γ-феррума – ГЦК, т. е. гранецентрированный куб. Расстояние между атомами меньше, чем в случае объемного гранецентрированного куба.

Когда железо переходит из модификации альфа в гамму, его объем уменьшается. Причина кроется в виде кристаллической решетки. В ОЦК атомы не настолько упорядочены, как в ГЦК.

Правило работает и в обратном направлении. При переходе из гамма-стадии в альфа-стадию объем сплава железа с углеродом возрастает.

Если температура находится в диапазоне от +1 392 до +1 539 °С (последняя – температура плавления железа), то α-феррум переходит в свою другую разновидность – δ-феррум. Стоит помнить, что структура δ-феррума неустойчива, поэтому стремится перейти в более устойчивое состояние.

В результате удалось выяснить, что сталь и чугун – сплавы железа с углеродом с разным содержанием углерода и примесей. Это напрямую влияет на механические и химические свойства стали, а они – на сферу применения конечного материала.

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.

Чистое железо

Чистое железо найти невозможно. Даже в железной руде присутствуют различные примеси. И потому профессор В. С. Меськин в труде о производстве высококачественной стали утверждал, что мы до сих пор не знаем до конца все технические свойства чистого железа, ведь даже в лабораторных условиях его еще ни разу не получали.

И действительно, большинство данных были получены на недостаточно чистых образцах, поэтому в современных условиях эти сведения устарели. Потому мы можем достоверно говорить лишь о технически чистом железе. При этом востребованность стали особой чистоты в отдельных отраслях подразумевает более пристальный интерес к получению этого материала. Но возможно ли это?

История изучения чистого железа в природе

Коммерческий словарь, переведенный с французского Василием Левшиным в конце XVIII века, упоминает о самородном железе, чистота которого позволяет выковать из него готовые изделия, не переплавляя. Металл, о котором идет речь, был привезен из Сенегала, где его находили в виде больших глыб. В России, по словам авторов словаря, местом находок подобного «чистого» железа (как на фото) часто служила Сибирь.

В 1870 г. Норденшельд открыл большие залежи самородного железа на острове Диско (Гренландия). Металл нашли в базальтовой породе среди залежей каменного угля. Это были как мелкие зерна и блестки, так и крупные самородки. Встречались такие виды, как природное «сварочное железо» или «натуральная сталь».

Также природное железо нашли у Касселя в Германии и во французской Оверни. Обнаруженная в Коннектикуте (США) и пролегавшая в слюдяных сланцах жила имела около 5 см в толщину.

Крайне редко встречающееся самородное железо, которое ошибочно считать чистым, не имеет какой-либо промышленной ценности. Также очень редко его находят в сплавах аварюста и жозефинита.

От метеоритного самородное железо отличает относительно низкое содержание никеля, достигающее 2 %. Содержание кобальта доходит до 0,3 %, меди – до 0,4 % и платины – до 0,1 %. Также металл отличает низкая углеродистость.

В случаях, когда руда в природе контактирует с углеродом при экстремальных температурах, из сплава может образовываться самородный чугун. В начале прошлого века на острове Русский геологом Александром Иностранцевым были открыты пласты самородного чугуна. Они залегали в нескольких десятках метров от поверхности в скальной породе на берегу моря. При бурении из скважины извлекли образцы природного сплава с содержанием 3,2 % углерода, 1,55 % кремния и 0,6 % марганца.

В земной коре самородное железо образуется в процессе застывания магмы. Восстановительные процессы с участием углерода приводят к его выделению из оксидов и сульфитов. По этой причине в полученных образцах металл нередко соседствует с когенитом – железоникелевым карбидом (Fe, Ni, Co)3C. Иностранцев предполагал, что к образованию чугуна привело соприкосновение расплавленной горной породы или кварцевого порфира с содержащим прослойки железной руды каменным углем.

Присутствие природной шихты, экстремальная температура и отсутствие контакта с воздухом привели к выделению оксида углерода и углеводородов, воздействие которых и превратило руду в самородки чугуна.

Уже давно люди стали искать ответ на вопрос о том, как получить чистое железо, и неплохо продвинулись в решении этой задачи. Какой же степени чистоты железа удалось достигнуть на современном производстве, ржавеет чистое железо или нет? Особо чистое карбонильное железо, полученное в наши дни, содержит мизерные 0,00016 % примесей, что в 4,5 тысячи раз ниже этого показателя в знаменитом Делийском столбе с содержанием примесей 0,28 %.

Первое, что поражало людей в колонне, сотни лет стоящей в Дели, ее устойчивость к коррозии во влажном климате. Получается, что сделать чистое железо человек пытался еще 1 600 лет назад.

Свойства технически чистого железа

Первым делом следует определить само понятие технической чистоты. Сегодня технически чистое железо является наиболее свободным от примесей.

Технически чистой принято называть низкоуглеродистую сталь, не содержащую легирующих добавок. Общее содержание примесей, включая углерод (не более 0,02 %), в таком металле не должно превышать 0,008–0,1 %. Это и есть ответ на вопрос о том, чистым ли веществом является такое железо или же смесью.

Технически чистое железо, или ARMCO Pure Iron, очень пластично, хорошо проводит электрический ток и отличается высокой коррозионной стойкостью. Этот металл нашел широкое применение в металлургии, приборостроении, электротехнике, медицине и многих других областях.

Благодаря низкому удельному сопротивлению, высокой индуктивности при намагничивании и высокой устойчивости к размагничиванию технически чистое железо используют при изготовлении компонентов магнитопроводов, реле, сердечников и проволоки для обмотки катушек электродвигателей, генераторов и другой электротехники.

ТЧЖ – наиболее чистый металл, полученный в современной металлургии, с содержанием железа до 99,92 % отличается:

малой коэрцитивной силой,
отличными магнитными свойствами,
высокой проводимостью,
стойкостью к коррозии,
пластичностью,
хорошей свариваемостью.

Сталь ARMCO Pure Iron, проходящая при выплавке очистку, отличается максимальной однородностью, крайне низким содержанием кислорода, полным отделением шлаков. Для того чтобы улучшить магнитные свойства ТЧЖ, его отжигают при +900 °С и постепенно охлаждают при +600 °С. Термообработка в вакуумной печи или защитной среде из инертного газа дает возможность предотвратить окисление металла.

Отжиг уменьшает внутреннее термическое напряжение, укрупняет зерна в структуре металла и снижает их суммарную площадь, что позволяет избежать образования микродефектов. Кроме того, термообработка облегчает дальнейшие работы с металлом и замедляет структурное старение.

Применение технически чистого железа ARMCO

ТЧЖ ARMCO Pure Iron, впервые полученное более века назад, в наши дни по-прежнему служит базовым компонентом в металлургии. Без него не обходится большинство сортов нержавеющей, кислотостойкой и жаростойкой стали и магнитных сплавов. Технически чистое железо служит шихтой при выплавке многих видов легированной стали, материалом для заготовок монет.

Этот металл используют в электротехнической промышленности, из него изготавливают:

Сердечники, полюсные наконечники и якоря в машинах постоянного тока.
Защитные экраны МРТ и рентгеновских аппаратов.
Детали асинхронных двигателей.
Провода обмоток электромагнитов, электродвигателей, катушек индуктивности, реле постоянного тока и т. д.
Магнитные устройства.

Из ТЧЖ также производят специальную химически стойкую посуду, антикоррозионные шайбы для клемм, уплотнители и прокладки для работающих в агрессивной среде устройств.

Как получают самое чистое железо на производстве

По технологии выработки различают карбонильное и электролитическое технически чистое железо:

Для получения карбонильного железа пентакарбонил железа подвергают температурному разложению с последующим восстановлением в водороде.
Изготовление электролитического железа происходит путем очистки в расплаве солей. Его выпускают в виде порошка или кусков. Марки 005 и 008 ЖР изготавливают с применением продуктов прямого восстановления руды.

В отличие от карбонильного ТЧЖ, содержащего относительно большое количество углерода, в состав чистого железа, полученного с помощью электролиза, входит не более 0,05 % примесей.

При сравнительном химическом анализе ТЧЖ, полученного перечисленными выше способами, получаем следующие усредненные показатели:

Углерод в металле

Содержание углерода в металле определяет свойства углеродистых сталей, в частности, механические характеристики. Благодаря изменению процентного соотношения углерода можно сделать материал более пластичным или твердым, вязким или прочным.

Такие стали называются углеродистыми и классифицируются по своему составу, степени окисления, а также методам производства и применения. Металлы с разной степенью цементита используются в разных сферах. Как же углерод в металле способствует повышению ее востребованности?

На что влияет углерод в металле

В процессе производства невозможно полностью удалить примеси из стали, поэтому они остаются в небольшом процентном содержании во всех углеродистых соединениях. Также их наличие зависит от выбранного метода плавки.

На основании доли углерода в металле принято выделять углеродистую и легированную сталь. Интересующий нас компонент позволяет скорректировать технические и механические характеристики материала.

В стали присутствуют:

железо – в пределах 99 %;
углерод – до 2,14 %;
кремний – не более 1 %;
марганец – до 1 %;
фосфор – максимум 0,6 %;
сера – до 0,5 %.

Также сталь содержит небольшую долю водорода, кислорода, азота.

Для чего нужен углерод в металле? В сталеплавильных процессах он играет такие роли:

Присутствует в большинстве марок стали, поскольку позволяет получить материал с широким диапазоном механических свойств. А именно: влияет на соотношение феррита и перлита в структуре твердого металла, расширяет диапазон температур, при которых железо остается в устойчивом состоянии.
Считается вредной примесью в сталях специального назначения, таких как электротехнические, жаропрочные, стойкие к коррозии, пр.
Забирает на свое окисление основную долю кислорода, вдуваемого в ванну с целью избавления от примесей. Например, в кислородно-конвертерном и мартеновском скрап-рудном процессах уходит более 75–80 % кислорода. Поэтому основной задачей управления окислительным рафинированием считается регулировка удаления углерода в металле.
Является единственной примесью при изготовлении стали, во время окисления которой выделяются газы CO и CO2. Объем последних многократно превосходит объема металла – если говорить точнее, то окисление килограмма углерода при +1 500 °C приводит к образованию более 10 м3 CO. Газ удаляется из ванны в форме пузырей, благодаря чему металл перемешивается со шлаком, возрастает скорость протекания тепло- и массообменных процессов. В результате на плавку уходит меньше времени.
Пузыри оксида углерода проходят через расплав, параллельно избавляя его от газов, неметаллических включений при плавке и вакуумировании.
Реакция окисления углерода сопровождается нагревом ванны, что важно для протекания кислородных процессов. Так, на кислородно-конвертерном этапе обработки металла тепло реакции окисления углерода обеспечивает 20–25 % приходной части теплового баланса плавки. Так сплав достигает температуры выпуска при значительной доле лома в шихте.
От количества углерода в металле и его постоянного окисления зависит содержание кислорода в стали и оксидов железа в шлаке. Окисленность ванны влияет на потери железа со шлаком в виде оксидов, остаточное содержание прочих примесей, угар раскислителей и легирующих добавок, пр.
Благодаря окислению интересующего нас элемента во время затвердевания металла в изложницах удается формировать слитки стали разных видов. Речь идет о кипящем, спокойном и полуспокойном типе данного металла.

Увеличение доли углерода в металле провоцирует такие изменения:

повышение электросопротивления;
увеличение коэрцитивной силы;
ухудшение проницаемости магнитов;
снижение плотности индукции магнитов.

Свойства металла (стали) с разным содержанием углерода

Говоря о том, что такое углерод в металле, важно понимать, что свойства углеродистых сталей определяются сложным молекулярным строением. Структура цементита такова, что каждая ее ячейка имеет форму октаэдра.

Данная особенность обеспечивает ряд таких важных технико-экономических показателей сплавов, как:

высокая прочность, несущая способность;
твердый поверхностный слой в сочетании с мягкой сердцевиной, что объясняется плохой прокаливаемостью – данная характеристика компенсирует хрупкость металла;
большой срок службы, достигающий 50 лет при нормальных условиях, либо применении средств, призванных защитить материал от появления очагов ржавчины;
низкая стоимость технологии выплавки, которая используется с конца XIX века – именно тогда были созданы мартеновские печи.

От количества углерода в металле зависит определенный вид стали:

Низкоуглеродистая сталь имеет в составе до 0,25 % данного компонента, отличается пластичностью, однако легко поддается деформации. Такой металл может обрабатываться в холодном виде либо при высоких температурах.
Среднеуглеродистая сталь содержит 0,3–0,6 % углерода, является пластичной, текучей, имеет средний уровень прочности. Данный процент углерода в металле позволяет использовать его как материал для деталей и конструкции, эксплуатируемых в нормальных условиях.
Высокоуглеродистая сталь предполагает долю углерода в 0,6–2 %. Отличается хорошей стойкостью к износу, низкой вязкостью, а также она прочная и дорогостоящая. Для проведения сварных работ металл необходимо предварительного разогреть до +225 °C.

Стоит отметить, что первые два вида проще поддаются обработке, свариванию.

Каждая марка стали имеет свою сферу применения и отличается от других методом изготовления:

Конструкционные стали

Обладают большой долей углерода в металле, для их производства используются мартеновские печи и специальные конвертеры. В маркировке конструкционных сталей применяют первые три буквы алфавита и цифры. По буквам можно определить принадлежность сплава к определенной группе, тогда как цифровое значение говорит о количестве углерода.

Если в металле присутствует марганец, обозначение дополняется буквой «Г». Группа А разделяет сплавы по механическим характеристиками, Б – по доле примесей, В – сразу по двум показателям. Так, при производстве группы А отталкиваются от необходимых качеств, тогда как в группе Б опираются на соответствие нормам.

Инструментальные стали

Производят в мартеновской или электрической печи, которая стала наиболее распространена в последнее время. Марки сплава имеют различную вязкость, степень раскисления. Кроме того, среди инструментальных сталей принято выделять качественные и высококачественные.

Технология изготовления углеродистых сталей

Зная содержание углерода в металле, важно также понимать, что это позволяет использовать в металлургии различные методы производства углеродистых сталей, для каждого из них используется особое оборудование.

Специалисты выделяют несколько типов печей, применяемых для этих нужд:

конверторные плавильные;
мартеновского типа;
электрические.

Конверторные печи расплавляют все компоненты сплава, после чего смесь проходит обработку техническим кислородом. В горячий металл вносят известь, чтобы удалить присутствующие примеси, превратив их в шлак. Процесс производства сопровождается активным окислением металла, из-за чего выделяется большое количество угара.

Использование конверторных печей для изготовления углеродистых сталей требует установки дополнительных фильтровальных систем, поскольку во время работы образуется много пыли. А монтаж дополнительного оборудования всегда чреват значительными финансовыми затратами.

Однако этот недостаток не мешает конверторному методу активно использоваться на металлургических производствах, так как специалисты ценят его за высокую производительность.

Печи мартеновского типа обеспечивают высокое качество различных марок стали. Здесь производство металла с содержанием углерода состоит из таких этапов:

в отдельный отсек печи загружают чугун, стальной лом, пр.;
металл нагревается до значительной температуры;
составляющие будущего сплава превращаются в однородную горячую массу;
происходит химическая реакция между компонентами в процессе плавления;
готовый металл поступает из печи.

Электрические печи предполагают совершенно иной подход к производству: отличается способ нагрева материалов. Благодаря использованию электричества снижается окисляемость металла в процессе разогрева, из-за чего в сплаве сокращается доля водорода. Это позитивно отражается на структуре и качестве готовой стали.

Области применения углеродистых сталей

Производство деталей машин

Прежде чем приступить к изготовлению определенной детали из углеродистых сталей, оценивают режим ее дальнейшей работы.

Марки металла, в которых содержится малая доля углерода, подходят для изделий, защищенных от серьезных нагрузок, воздействия вибрации, ударов. К таким элементам относятся:

дистанционные кольца;
втулки;
крышки;
колпаки;
маховики;
стаканы для подшипников;
прихваты, планки.

В качестве отдельной категории выделяют сварные каркасные конструкции, корпусные изделия, поскольку в этом случае низкая прочность данного вида сталей компенсируется толщиной несущего сечения. Тогда как податливость материала обработке сваркой обеспечивает более высокий уровень общей технологичности.

Для деталей, которые ожидают большие нагрузки в процессе эксплуатации, выбирают среднеуглеродистые стали для дальнейшей закалки. Либо могут использоваться марки металла с низким содержанием углерода при условии цементации.

Данные требования распространяются на следующие виды продукции:

шкивы ременных передач;
звездочки цепных передач;
зубчатые колеса, шестерни, валы-шестерни;
валы, оси;
шпиндели;
рычаги;
ролики;
штока, поршни цилиндров.

В первую очередь, производят заготовку – на этом этапе осуществляется резка проката, отливка, штамповка или поковка. После чего переходят к механической и температурной стадии.

В конце приступают к доводочным, отделочным операциям при помощи абразива, то есть к шлифовке, хонингованию, притирке, суперфинишированию. Нужно учитывать, что невозможно эффективно обработать незакаленные стали абразивным инструментом, так как процесс сопровождается засаливанием режущих зерен.

Высокоуглеродистые рессорно-пружинные разновидности стали применяют лишь в особых случаях, поскольку такой металл с углеродом в составе предполагает значительно более сложную обработку. Кроме того, любые промахи трудно устранить, например, заварить дефект.

Обычно подобные стали выбирают для навивки спиральных пружин, производства рессор, цанг, направляющих скольжения и прочих элементов, от которых требуется упругость в сочетании с твердостью.

Производство инструмента

Назначение углеродистых инструментальных сталей очевидно уже из названия. Ограничением в их применении является повышенная температура: при превышении +250…+300 °C закаленный металл отпускается, утрачивает прочность, твердость.

Также важно учитывать, что углеродистые стали уступают легированным по функциональности. Ими нельзя резать или давить материалы, имеющие более высокие показатели прочности.

Из-за всех названных особенностей такие металлы используют для изготовления ручного инструмента, позволяющего осуществлять холодную обработку дерева, пластика, мягких цветных металлов.

В производстве задействуются исключительно кованые заготовки, а не литье. Среди проката выбирают упрочненный сортамент, созданный непосредственно для изготовления инструмента.

Далее металл с необходимой долей углерода в составе точат, сверлят, фрезеруют, закаляют, после чего доводят до нужного состояния при помощи абразива. Стоит отметить, что шлифовка является наиболее трудоемким этапом изготовления, так как именно в это время инструменту сообщаются требуемые параметры.

Кроме того, эти операции позволяют удалить с металла поверхностный слой, содержащий дефекты, которые остались после термической обработки.

Производство крепежа

ГОСТ 1759.4-87 содержит в себе требования к механическим свойствам резьбового крепежа. В соответствии с этим документом, болты, винты, шпильки могут изготавливаться из таких углеродистых сталей:

10 и 20 – для классов прочности 3.6, 4.6, 4.8, 5.8 и 6.8, не предполагающих проведение термической обработки;
30, 35, 45 – для классов прочности 5.6 и 6.6 с термической обработкой;
35 – для классов прочности 8.8, 9.8, 10.9 и 12.9, где термическая обработка является обязательным этапом.

Массовое и крупносерийное производство метизов из металла, в составе которого есть углерод, предполагает использование технологии горячей или холодной штамповки и высадочных автоматов. После чего на заготовки нарезают либо накатывают резьбу.

Если речь идет о мелкой серии, доступен заказ нестандартного крепежа – партия изготавливается на универсальном оборудовании для металлорезки.

Для производства крепежа нередко используют особую группу углеродистых сталей. Речь идет о марках, отличающихся повышенной обрабатываемостью – у них в начале маркировки стоит буква «А». Такие металлы отличаются от всех остальных максимальной однородностью структуры и химического состава по всему объему проката.

Поэтому при обработке на станках-автоматах отсутствует риск перепада нагрузки на инструмент, что обычно возможно из-за разной твердости сплава, присутствия микродефектов в виде неметаллических включений.

Углеродистые стали подходят для решения большей части технических задач от производства элементов машин до сборки несущих металлоконструкций. Такие марки отличаются долей углерода в металле, что позволяет легко понять область их использования.

Читайте также: