Процесс получения ковких чугунов.

Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.

Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.

Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.

Формирование окончательной структуры и свойств отливок происходит в процессе отжига.

Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000 С в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита:.

Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига). При медленном охлаждении в интервале 760…720oС, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).

При относительно быстром охлаждении (режим б, рис. 11.3) вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун.

Структура чугуна, отожженного по режиму в, состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун)

Отжиг является длительной 70…80 часов и дорогостоящей операцией. В последнее время, в результате усовершенствований, длительность сократилась до 40 часов.

Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной (КЧ 30 – 6) и четыре с перлитной (КЧ 65 – 3) основой (ГОСТ 1215).

По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.

Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный чугун) и двумя числами, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на, а второе – относительное удлинение - КЧ 30 - 6.

 

 

18. Влияние формы и размеров графитных включений на свойства чугуна.

Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение () дпя серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до 10 %, для высокопрочных – до 15%.

Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.

 

Положительные стороны наличия графита.

 

• графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка;

• чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения;

• из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;

• детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);

• чугун значительно дешевле стали;

• производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.

 

 

19. Превращения в сталях при нагреве.

ТО- процесс теплового воздействия на сталь, с целью искусственного изменения ее структуры и и Св-в заданного направления. В основе ТО лежат фазовые превращения, происходящие при определенных тем-рах и обусловленные ими структурные изменения. Тем-ра при которой происходят превращения наз-ся критической тем-рой. PSK (727)- нижняя критическая тем-ра, GS-Ас3- верхняя критическая тем-ра, ES-Асм- верхняя критическая тем-ра. В углеродистых сталях в зависимости от тем-ры нагрева и скорости охлаждения, возможны следующие превращения: 1)Превращение феритно-цементитной смеси в аустенит при нагреве выше Ас1. П(Ф+Ц)→А. Превращение является диффузионным процессом Ф+П(Ф+Ц3) →А+Ф- доэвтектоидные стали. П(Ф+Ц3)+Ц2→А+Ц2- заэвтектоидные стали. При нагреве выше верхней критической тем-ры сталь приобретает однородную аустенитную структуру. 2) Превращение переохлажденного аустенита. При медленном охлаждении ниже Ас1, аустенит диффузионным путем распадается на Ф+Ц2. (Другой источник: Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат стремления системы к минимуму свободной энергии 1. Превращение перлита в аустенит , происходит при нагреве выше критической температуры А_1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.

2. Превращение аустенита в перлит , происходит при охлаждении ниже А₁, минимальной свободной энергией обладает перлит:

3. Превращение аустенита в мартенсит , происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

4. Превращение мартенсита в перлит ; – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

)

 

 

20. Перлитное превращение.

Перлитное превращение - эвтектоидное превращение (распад) аустенита, происходящее ниже 727°С (по другим источникам 723°С) и заключающееся в одновременном зарождении и росте внутри аустенита (ɣ-фаза) двух новых фаз: феррита (ɑ-фаза) и цементита (Fe₃C) имеющих пластинчатую форму. Схематически процесс описывается формулой:

ɣ→ɑ+Fe₃C

Перлитное превращение происходит в сталях, содержащих более 0,025%С (по массе), а также в белых и серых чугунах (за исключением чугунов на ферритной металлической основе). Структура, образующаяся в результате превращения, называется перлит и она состоит из тонких чередующихся пластинок (кристаллов) феррита и цементита. Составы всех трех фаз при медленном охлаждении строго определен: в нелегированной стали или чугуне аустенит содержит 0,8%С, феррит - 0,025%С и цементит - 6,67%С (по массе). Отсюда следует, что пластинки феррита в 7,3 раза толще пластинок цементита.

При снижении температуры ниже 727°С скорость превращения увеличивается, достигает максимума при ~550°С и затем уменьшается, падая почти до нуля при ~200°С. Чем ниже температура превращения тем меньше толщина пластинок и выше прочностные свойства. Абсолютная толщина пластинок перлита (межпластинчатое расстояние, период структуры) меняется обычно от нескольких мкм (и тогда их можно различить в рядовом оптическом микроскопе), до десятых долей мкм (пластинки обнаруживаются только при максимальных разрешениях) и до сотых долей мкм (необходим уже электронный микроскоп). Соответствующие дисперсные разновидности перлита называют также сорбит и троостит.

Скорость охлаждения влияет на структуру и свойства смеси феррит + цементит. В результате можно получить качественно одинаковые, но различно называющиеся:

Перлит — получается при медленном охлаждении, обычно вместе с обладающей тепловой инерцией массивной печью, то есть при отжиге. Примерные свойства: твердость — 200HB, предел прочности — 600МПа, предел текучести — 300МПа.

Сорбит — получается при охлаждении на воздухе (нормализация). Твердость — 300HB, предел прочности — 1000МПа, предел текучести — 500МПа.

Троостит — получается при более высокой скорости охлаждения, обычно в каком-либо минеральном масле. Твердость — 400HB, предел прочности — 1400МПа, предел текучести — 700МПа.

 

 

21. Промежуточное (бейнитовое)

 

При температуре ниже 550 oС самодиффузия атомов железа практически не происходит, а атомы углерода обладают достаточной подвижностью.

Механизм превращения состоит в том, что внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода и участки аустенита, обогащенные углеродом превращаются в цементит.

Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по сдвиговому механизму, путем возникновения и роста зародышей феррита. Образующиеся при этом кристаллы имеют игольчатую форму.

Такая структура, состоящая из цементита и феррита, называется бейнитом. Особенностью является повышенное содержание углерода в феррите (0.1…0.2 %).

Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависят от температуры превращения.

При температуре мм – верхний бейнит. Структура характеризуется недостаточной прочностью, при низких относительном удлинении () и ударной вязкости ().

При температуре 300oС – – нижний бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.

 

 

22. Мартенситное превращение.

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в.

При образовании мартенсита кубическая решетка сильно искажается, превращаясь в тетрагональную (рис. 13.1 а). Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности: с/а > 1. Степень тетрагональности прямопролорциональна содержанию углерода в стали

Механизм мартенситного превращения имеет ряд особенностей.

1. Бездиффузионный характер.

Превращение осуществляется по сдвиговому механизму. В начале превращения имеется непрерывный переход от решетки аустенита к решетке мартенсита (когерентная связь). При превращении гранецентрированной кубической решетки в объемно-центрированную кубическую атомы смещаются на расстояния меньше межатомных, т.е. нет необходимости в самодиффузии атомов железа.

2. Ориентированность кристаллов мартенсита.

Кристаллы имеют форму пластин, сужающихся к концу, под микроскопом такая структура выглядит как игольчатая. Образуясь мгновенно пластины растут либо до границы зерна аустенита, либо до дефекта. Следующие пластины расположены к первым под углами 60 o или 120 o, их размеры ограничены участками между первыми пластинами (рис. 13.2).

 

Ориентированный (когерентный) рост кристаллов мартенсита обеспечивает минимальную поверхностную энергию. При когерентном росте, из-за различия объемов аустенита и мартенсита, возникают большие напряжения. При достижении определенной величины кристаллов мартенсита, эти напряжения становятся равными пределу текучести аустенита. В результате этого нарушается когерентность и происходит отрыв решетки мартенсита от решетки аустенита. Рост кристаллов прекращается.

3. Очень высокая скорость роста кристалла, до 1000 м/с.

4. Мартенситное превращение происходит только при непрерывном охлаждении. Для каждой стали начинается и заканчивается при определенной температуре, независимо от скорости охлаждения. Температуру начала мартенситного превращения называют мартенситной точкой МН, а температуру окончания превращения – МК. Температуры МН и МК зависят от содержания углерода и не зависят от скорости охлаждения Для сталей с содержанием углерода выше 0,6 % МК уходит в область отрицательных температур (рис.13.3)

 

Мартенситное превращение чувствительно к напряжениям, и деформациям аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше МН.

В сталях с МК ниже 20oС присутствует аустенит остаточный, его количество тем больше, чем ниже МН и МК.(при содержании углерода 0,6…1,0 % количество аустенита остаточного – 10 %, при содержании углерода 1,5 % - до 50 %). В микроструктуре наблюдается в виде светлых полей между иглами мартенсита.

5. Превращение необратимое. Получить аустенит из мартенсита невозможно.

Свойства мартенсита обусловлены особенностями его образования. Он характеризуется высокой твердостью и низкой пластичностью, что обуславливает хрупкость.

Твердость составляет до 65 HRC. Высокая твердость вызвана влиянием внедренных атомов углерода в решетку -фазы, что вызывает ее искажение и возникновение напряжений. С повышением содержания углерода в стали возрастает склонность к хрупкому разрушению.

 

 

23. Практические способы закалки.

В зависимости от формы изделия, марки стали и нужного комплекса свойств применяют различные способы охлаждения (рис. 14.1)

 

Рис.14.1. Режимы закалки

 

1. Закалка в одном охладителе (V1).

Нагретую до нужной температуры деталь переносят в охладитель и полностью охлаждают. В качестве охлаждающей среды используют:

• воду – для крупных изделий из углеродистых сталей;

• масло – для небольших деталей простой формы из углеродистых сталей и изделий из легированных сталей.

Основной недостаток – значительные закалочные напряжения.

2. Закалка в двух сферах или прерывистая (V2).

Нагретое изделие предварительно охлаждают в более резком охладителе (вода) до температуры ~ 3000C и затем переносят в более мягкий охладитель (масло).

Прерывистая закалка обеспечивает максимальное приближение к оптимальному режиму охлаждения.

Применяется в основном для закалки инструментов.

Недостаток: сложность определения момента переноса изделия из одной среды в другую.

3. Ступенчатая закалка (V3).

Нагретое до требуемой температуры изделие помещают в охлаждающую среду, температура которой на 30 – 50oС выше точки МН и выдерживают в течении времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению. Время изотермической выдержки не превышает периода устойчивости аустенита при заданной температуре.

В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли или металлы. После изотермической выдержки деталь охлаждают с невысокой скоростью.

Способ используется для мелких и средних изделий.

4. Изотермическая закалка (V4).

Отличается от ступенчатой закалки продолжительностью выдержки при температуре выше МН, в области промежуточного превращения. Изотермическая выдержка обеспечивает полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит.При промежуточном превращении легированных сталей кроме бейнита в структуре сохраняется аустенит остаточный. Образовавшаяся структура характеризуется сочетанием высокой прочности, пластичности и вязкости. Вместе с этим снижается деформация из-за закалочных напряжений, уменьшаются и фазовые напряжения.

В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли и щелочи.

Применяются для легированных сталей.

5. Закалка с самоотпуском.

Нагретые изделия помещают в охлаждающую среду и выдерживают до неполного охлаждения. После извлечения изделия, его поверхностные слои повторно нагреваются за счет внутренней теплоты до требуемой температуры, то есть осуществляется самоотпуск. Применяется для изделий, которые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине (инструменты ударного действия: мототки, зубила).