лекцияДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ. Учебное пособие сокол ан ст преподаватель 2
 Скачать 2.22 Mb.
|
|
3.3. Белый чугун Белый чугун отличается от других отсутствием графита и наличием большого количества цементита. Наиболее характерной структурной составляющей белого чугуна является эвтектика (ледебурит. Ввиду большого количества цементитной фазы белым чугунам присуща высокая твердость и хрупкость, поэтому в машиностроении они находят ограниченное применение и идут главным образом в передел на сталь. В машиностроении применяется так называемый отбеленный чугуну которого поверхностные слои отливки имеют структуру белого чугуна, а внутренние – серого. Такая сложная структура отливки создается комбинированной формой, в которой происходиткристаллизация чугуна. В тех местах, где должен получиться белый чугун, расплав соприкасается с металлической формой (кокилем, обеспечивающей высокую скорость охлаждения. Внутренние части отливки кристаллизуются при меньшей скорости охлаждения, которая создается песчаной формой, выполненной из специальной формовочной смеси (песок, глина и другие составляющие. Для повышения сопротивления износу от трения на поверхности некоторых изделий оборудования металлургических заводов наплавляется тонкий слой белого чугуна. 38 3.4. Серый чугун Как было указано ранее, серый чугун имеет в структуре графит в виде тонких, чаще всего длинных и изогнутых, пластинок, окруженных ферритной, перлитной или феррито-перлитной основой. Этот чугун находит широкое применение в машиностроении. Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца – 0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – менее 0,12 %. Механические свойства серого чугуна зависят от общего количества графита и его формы, а также от структуры основы. Во всех случаях графит ухудшает механические свойства чугуна, снижая его прочность, пластичность и вязкость (в сравнении со свойствами стали. Графитные выделения подобно внутренним надрезам создают местные, зачастую очень значительные, перенапряжения и вызывают преждевременное разрушение чугуна. Графит резко снижает сопротивление отрыву, поэтому чем больше общее количество графита, чем длиннее и тоньше его пластинки, тем ниже показатели пластичности, вязкости и прочности при растяжении. В целях улучшения механических свойств серых чугунов металлурги стремятся получить в отливках малое количество графита с наиболее благоприятной структурной формой его выделений (мелкие выделения в модифицированном чугуне и шаровидная форма в высокопрочном чугуне. Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны. Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающими ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие в автостроении – блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления. Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение временного сопротивления, умноженное на 10 -1 , например СЧ 15. 3.5. Высокопрочный чугун Высокопрочные чугуны содержат углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6%, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %. Высокопрочный чугун имеет в своем составе выделения графита шаровидной формы, поэтому соединяет в себе высокую прочность стали с важнейшими технологическими достоинствами чугунов. Графит шаровидной формы возникает непосредственно при кристаллизации жидкого чугуна в результате модифицирования его магнием (иногда церием) перед заливкой в формы. Вместе с магнием в чугун вводят также ферросилиций. Шаровидная форма графита в значительно меньшей степени оказывает вредное надрезывающее воздействие на металлическую основу чугуна, чем пластинчатые выделения графита. Поэтому высокопрочный чугун имеет все показатели механических свойств намного выше, чем серый. Структура основы высокопрочного чугуна, также как и серого, может быть чисто ферритной, перлитной или феррито-перлитной. Формирование этой структуры происходит в процессе эвтектоидных превращений, как было показано ранее. Из высокопрочного чугуна изготовляют весьма ответственные изделия коленчатые валы автомобилей и тракторов, детали оборудования прокатных станов и др. Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1 %. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью. Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца, шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы. Отливки коленчатых валов массой дот, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле. Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 10 -1 , например ВЧ 100. 3.6. Ковкий чугун Ковкий чугун имеет выделения графита в виде компактных образований неправильной формы или хлопьев. Получается он путем специального отжига отливки из малоуглеродистого белого чугуна. Свое название ковкий чугун получил за более высокие пластические свойства по сравнению с серым чугуном, хотя свободной ковке (без оправки) он, конечно, никогда не подвергался. 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, схема которого представлена на рис. 16. Рис. 16. Отжиг ковкого чугуна Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000 Св течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита → 3Fe γ + C (графит) Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига. Затем следует охлаждение до температуры стабильного эвтектоидного превращения (примерно до 760 С. При медленном охлаждении в интервале С, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига – получается ферритный ковкий чугун (режима, рис. 16). При относительно быстром охлаждении (режим б, рис. 16) вторая стадия полностью устраняется и получается перлитный ковкий чугун. Структура чугуна, отожженного по режиму в (рис.16), состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун. Отжиг является длительной часов и дорогостоящей операцией. В последнее время в результате усовершенствований длительность сократилась до 40 часов. По механическими технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серыми высокопрочным чугунами. 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 (ковкий чугун) и двумя числами, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на, а второе – относительное удлинение - КЧ 30 - 6. 4. СТАЛИ 4.1. Влияние углерода При комнатной температуре сталь состоит из смеси мягкого и пластичного феррита и очень твердого и хрупкого цементита. Поэтому увеличение процентного содержания Св стали, вызывая увеличение количества цементитной фазы, естественно, приводит к росту твердости и прочности и к снижению пластичности и вязкости стали. Однако общий ход изменения механических свойств и значения конкретных величин различных свойств зависят также от сочетания и дисперсности фаз. Как известно, структура доэвтектоидной стали после медленного охлаждения состоит из избыточного феррита и перлита, а заэвтектоидной – из вторичного избыточного цементита и перлита. Структура эвтектоидной стали (0,8 % С) состоит из одного перлита. Повышение содержания углерода встали до 0,8 % вызывает увеличение количества перлита и уменьшение феррита, а при дальнейшем увеличении С (более 0,8%) – к появлению наряду с перлитом вторичного цементита. Влияние содержания углерода на механические свойства стали показано на рис. 17. Следует обратить внимание на изменение прочности. Прочность повышается при содержании углерода до 1 %, а затем она уменьшается. Это объясняется появлением в структуре заэвтектоидной стали хрупкого вторичного цементита в виде тонкой оболочки вокруг перлитных зерен, что и вызывает преждевременное разрушение стали при растяжении. Приведенные на рис. 9 цифры значения механических свойств являются средними и могут колебаться в туи другую сторону в зависимости от содержания примесей и условий охлаждения стали. Рис. 17. Влияние углерода на свойства сталей Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции. Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием. 4.2. Примеси в сталях В сталях всегда присутствуют постоянные, вредные и случайные примеси, так как сталь является многокомпонентным сплавом. Сера, фосфор и все газы являются вредными примесями, и усилия металлургов всегда направлены на максимальное снижение этих элементов встали. Сера. Содержание серы в сталях промышленных марок составляет обычно 0,015…0,050 Сера дает с железом соединение е, которое образует с железом легкоплавкую эвтектику, (температура плавления 988 С, обычно располагающуюся вокруг зерен, закристаллизовавшихся ранее этой эвтектики. При горячей механической обработке (ковка, прокатка) эвтектика плавится, что вызывает потерю связи между зернами стали слиток или поковка разваливается на части. Это явление называется красноломкостью. Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность (δ и ψ), а также предел выносливости. Она ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Фосфор.Содержание фосфора встали. Весьма значительно снижает вязкость железа и стали. Особенно заметно проявляется это вредное влияние фосфора при повышенном содержании углерода встали и при низких температурах. Явление повышенной хрупкости стали при низких температурах называется хладноломкостью. Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладноломкости на 20…25 С. Для некоторых сталей возможно увеличение содержания серы и фосфора для улучшения обрабатываемости резанием. Это было при создании автоматных сталей, из которых на высокопроизводительных станках-автоматах изготовляется крепежный материал (гайки, болты) неответственного назначения, имеющий очень широкое применение в машиностроении. Короткая, хрупкая стружка и чистая поверхность резьбы являются главными положительными качествами автоматных сталей. Так как серы в этих сталях содержится до 0,15…0,20 %, а фосфора до 0,14 %, то такие стали можно отнести к разряду специальных. Существенным является то, что сера и фосфор при кристаллизации стального слитка сильно ликвируют, в результате чего создаются участки с резко повышенной концентрацией этих вредных элементов по сравнению со средним их содержанием встали. Газы (азот, кислород, водород) попадают в сталь при выплавке. Кислород,соединяясь со многими элементами, присутствующими встали, образует неметаллические включения, так называемые оксиды (SiO 2 , АО и др. Неметаллические включения (окислы, нитриды, являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость. Поэтому необходимо снижать содержание кислорода встали путем хорошего раскисления и разливки в вакууме, тщательно контролировать структуру стали, идущей на изготовление ответственных изделий. Очень вредным является растворенный встали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катаных заготовках и поковках флокенов – тонких трещин овальной или округлой формы, имеющих в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета. Постоянные примеси Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями. Содержание марганца не превышает 0,8 %. Марганец,имеющийся встали, интенсивнее, чем железо, соединяется с серой, образуя весьма тугоплавкое соединение температура плавления 1620 С, располагающееся обычно в виде мелких глобулярных включений внутри зерен стали. Следовательно, включения оказывают менее вредное влияние на сталь, чем включения FeS. Содержание кремния не превышает 0,4 %. Кремний является раскислителем стали, освобождающим ее от излишков кислорода. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке. Наличие марганца и кремния свыше указанных пределов переводит такие стали в разряд специальных, легированных. Случайные примеси – практически любые элементы, случайно попавшие в сталь, например Cr, Ni, Cu, Mo, Al, Ti и др, в количествах, ограниченных для примесей. 4.3. Легирующие элементы Легирующие элементы (л.э.)– специально вводимые добавки для получения требуемых структуры и свойств. Легированные стали – сплавы на основе железа, в химический состав которых введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработках требуемые структуру и свойства. В качестве легирующих наиболее часто используют следующие элементы Сг, Ni , М, Si, Мо, W, V, Т, Nb. Реже используются Со, АС, В и некоторые другие. Содержание легирующих элементов может колебаться встали от тысячных долей процента до десятков процентов. Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакций и влияют на растворимость углерода в аустените. По влиянию на температуры Аи А легирующие элементы можно разбить на две группы. В первую группу входят элементы, которые понижают температуру Аи повышают температуру А. Кним относятся Ni, МС и др. В сплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом область открывается, те. в определенном интервале температур существует неограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии — твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура А при определенной концентрации добавки понижается ниже нуля. На рис. 18 показан участок диаграммы е — легирующий элемент с открытой областью Рис. Диаграмма состояния железо – легирующий элемент с открытой областью В сплавах с концентрацией добавки, равной или превышающей концентрацию, соответствующую точке b, ГЦК решетка устойчива при 20…25 С такие сплавы называют аустенитными сталями Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в е, но и любые твердые растворы на основе Fе γ Во вторую группу входят элементы, которые повышают температуру Аи понижают А. В этом случае температурный интервал устойчивости аустенита уменьшается и соответственно расширяется температурный интервал устойчивости Fe α . Таких легирующих элементов большинство Сг, Мо, W, V, Si, Т и др. Все перечисленные элементы образуют с железом диаграмму с замкнутой областью (рис. 19). Концентрация, соответствующая точке с, для большинства элементов невелика (дои лишь для хрома аустенитная область простирается до 12 % (рис. 20). Из перечисленных элементов, дающих замкнутую область, только хром и ванадий не образуют с железом промежуточных фаз, и поэтому область открывается наблюдается неограниченная растворимость этих элементов в железе с ОЦК решеткой (см. рис. 19, a). Остальные легирующие элементы, замыкающие область, образуют с железом промежуточные фазы, поэтому при определенных концентрациях легирующего элемента на диаграммах появляется линия, ограничивающая растворимость, правее которой расположены двухфазные области (см. рис. 19, б. Однофазные сплавы с ОЦК решеткой, устойчивой при всех температурах вплоть до солидуса, называют ферритными сталями Таким образом, ферритом называют не только твердый раствор углерода в Fe α , но и любые твердые растворы на основе Fe α а б Рис. 19. Диаграмма состояния железо – л.э. Рис. 20. Влияние л.э. на протяженность с замкнутой областью а – открытая замкнутой области область, б – закрытая область 4.4. Влияние легирующих элементов на фазовые превращения сталей Легирующие элементы, понижающие температуру А 3 в безуглеродистых сплавах (Ni и Mn), смещают линии PSK, GS и SE диаграммы Fe – Fе 3 С в сторону более низких температур. Легирующие элементы, повышающие температуру A 3 в безуглеродистых сплавах, оказывают обратное влияние — они смещают линии PSK, GS ив сторону более высоких температур. Влияние некоторых легирующих элементов на положение эвтектоидной линии при нагреве показано на рис. 21. В сложнолегированных сталях, содержащих элементы одной и другой групп, смещение критических температур зависит от количественного соотношения этих элементов. Под влиянием легирования изменяется и положение узловых концентрационных точек диаграммы Fe – Fе 3 С. Важнейшие узловые точки стали — указывающая содержание углерода в эвтектоиде (рис. 22), и Е, указывающая максимальную растворимость углерода в аустените. Рис. 21. Влияние л.э. на температуру А Рис. 22. Влияние л.э. на содержание углерода в эвтектоиде Большинство легирующих элементов уменьшает растворимость углерода в аустените при всех температурах, что равносильно сдвигу линии влево, в сторону меньших концентраций углерода. Максимальная растворимость углерода в аустените (точка Е)наиболее резко уменьшается под влиянием элементов, замыкающих область в безуглеродистых сплавах Cr, Si, W, V, Т. Приведенная схема не охватывает всего многообразия возможных вариантов влияния легирующих элементов на критические точки железа и, следовательно, на вид диаграммы железо – углерод. При легировании железа несколькими элементами одновременно их влияние на получение γ- и фаз не суммируется. |