Ковкий чугун: применение

Технологические и механические качества ковкого чугуна таковы, что позволяют использовать его для производства разнообразных деталей: от мельчайших до весящих несколько тонн, выдерживающих ударные и вибрационные нагрузки: фланцы, картеры, ступицы и др. Словом, ковкий чугун – это широкий спектр номенклатуры автомобилестроения, машиностроения, судостроения, электропромышленности, станкостроения и т.п.

41. Получение высокопрочного чугуна, его маркировка, применение.

Чугун с повышенными показателями прочности. Получают высокопрочный чугун главным образом модифицированием. В качестве модификатора используют магний (Mg), кальций (Ca), церий (Ce) и другие элементы. Микроструктура высокопрочного чугуна характеризуется наличием графита шаровидной формы, что и обеспечивает повышение прочности. Наибольший эффект повышения прочности достигается в толстостенных отливках. Пример маркировки: ВЧ 40-10, где первая цифра показывает предел прочности при растяжении в кгс/мм2, а вторая - относительное удлинение в %. Известно, что на сферических поверхностях внутренние напряжения не концентрируются. Именно это и положено в основу производства высокопрочных чугунов, у которых графит приобретает шаровидную форму. Структура металлической основы у таких чугунов феррито-перлитная с большим или меньшим количеством перлита.

Получают высокопрочные чугуны путем введения в ковш с жидким чугунов специальных присадок, получивших название модификаторов. Модификаторы играют роль искусственных центров кристаллизации и, равномерно распределяясь по объему жидкого металла, приводят к началу кристаллизации не только от стенок литейной формы, но и внутри самого объема этой формы. Поскольку искусственный зародыш в момент кристаллизации чугуна со всех сторон окружен жидким металлом, это создает условия для формирования кристаллов сферической формы.

В качестве модификаторов обычно используется магний, но т.к. введение металлического магния сопровождается сильным пироэффектом, то чистый магний заменяют его лигатурами (например, сплавом магния и никеля). Неплохие результаты дает модифицирование чугуна церием или силикокальцием.

42. Особенности термообработки чугунов.

 Применяют следующие виды термообработки чугунных отливок.

Низкотемпературный отжиг применяют для снятия внутренних напряжений. Температуру отжига назначают в зависимости от химического состава чугуна. Отливки из серого чугуна обычно отжигают при 500-700ºС; из высокопрочного чугуна при 550-650ºС; из низколегированного чугуна при 570-600ºС, а из высоколегированного при 600-650ºС. Продолжительность выдержки отливок при температуре отжига зависит от размеров отливки и её конфигурации и обычно составляет 3-10 ч. Сложные отливки, отливки с большей разницей в толщинах стенки отжигают более длительное время. После отжига отливки охлаждают вместе с печью. Механические свойства отливок при такой термообработке практически не изменяются.

Графитизирующий отжиг применяют обычно при снижении твёрдости и улучшении обрабатываемости резанием. Отливки нагревают в печах до 680-750ºС. При этом происходит графитизация и частичная сфероидизация эвтектоидного цемента, что снижает твёрдость, улучшает обрабатываемость, но несколько уменьшает прочность чугуна.

Высокотемпературный отжиг отливок производят для графитизации первичных карбидов в отбеленном или половинчатом чугуне. Отливки нагревают до 900-960ºС, а затем медленно охлаждают до 300ºС. В отливках образуется перлитная структура, отличающаяся оптимальной твёрдостью и прочностью.

Нормализацию применяют для повышения механических свойств и износостойкости чугуна за счёт улучшения его структуры и получения перлитной металлической основы, а также для отливок, имеющих ферритную, ферритно-перлитную или ледебуритно-перлитную структуры. Отливки нагревают до 850-950ºС. При нормализации ферритного или ферритно-перлитного чугуна часть графита растворяется в аустените и за счёт этого количество связанного углерода увеличивается.

При нормализации отбеленного чугуна происходит графитизация первичных карбидов. В отливках после охлаждения на воздухе до температуры 500ºС образуется перлитная структура. Для снижения напряжений отливки ниже 500ºС охлаждают медленно, вместе с печью.

Закалку и отпуск применяют для отливок из серых, высокопрочных и ковких чугунов с целью повышения прочности, твёрдости и износостойкости. Отливки нагревают до 880-930ºС и охлаждают в масле. Структура отливок – мартенсит. Затем производят отпуск нагревом до 400-600ºС с последующим охлаждением.

Отпуск отливок, работающих на износ, производят при 250-300ºС. Отливки из чугуна с шаровидным графитом, работающие на износ, подвергают изотермической закалке.

Химико-термическую обработку применяют обычно для получения высокой поверхностной твёрдости отливок из чугуна с шаровидным графитом (втулок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, коленчатых валов). Наиболее часто применяют азотирование поверхностного слоя – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя азотом при нагреве в аммиаке. Температура азотирования 550-560ºС. Азотированию подвергают поверхности, обработанные резанием.

43. Образование аустенита при нагреве эвтектоидной стали.

При многих видах термической обработки сталь нагревают до температур, соответствующих существованию аустенита (процесс аустенитизации).

Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом и подчиняется основным положениям теории кристаллизации.

При нагреве эвтектоидной стали (0,8% С) несколько выше критической точки А1 (727 °С) перлит (феррито-карбидная структура) превращается в аустенит:

ФP + Fе3С → АS.

Превращение состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного α → γ-перехода и растворения в аустените цементита.

При нагреве доэвтектоидной стали выше точки А1 после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура – аустенит и феррит.

При дальнейшем нагреве в интервале температур А1–А3феррит постепенно растворяется в аустените. При температуре А3 феррит исчезает, а концентрация углерода в аустените соответствует содержанию его в стали. Аналогично протекает превращение и в заэвтектоидной стали. При температуре несколько выше А1 (727 °С) перлит превращается в аустенит, содержащий 0,8 % С. В интервале температур А1–Асm происходит растворение избыточного цементита. Выше температуры Асm будет только аустенит, содержание углерода в котором соответствует его содержанию в стали.

Аустенит при температурах несколько выше Ас1 (727 °С) содержит ~ 0,8 % С. Зародыши аустенита образуются на границе раздела феррита и цементита (рис. 4.15, в), где наличие дефектов уменьшает работу образования зародыша аустенита. При росте зародыша когерентность α- и γ-решеток нарушается, сдвиговый механизм заменяется нормальным механизмом роста и зерна аустенита приобретают равноосную форму. Образовавшийся аустенит неоднороден по содержанию углерода. В участках, прилегающих к частицам цементита, концентрация углерода в аустените выше (точка бна рис. 4.15, а), чем в участках, прилегающих к ферриту

44. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали.

По оси ординат откладывается температура. По оси абсцисс – время.

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, т. е. выше критической точки, а затем быстро охлаждают, например до +700, +600, +500, +400, +300 °C и т. д., и выдерживают при

этих температурах до полного распада аустенита. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от +727 до +250 °C (температуры начала мартенситного превращения – Мн). На диаграмме – две С—образные кривые. Кривая I указывает время начала превращения, кривая II – время конца превращения переохлажденного аустенита. Период до начала распада аустенита называют инкубационным. При +700 °C превращение аусте—нита начинается в точке а и заканчивается в точке b, в результате этого процесса образуется перлит. При температуре +650 °C распад аустенита происходит между точками а1 и b1 . В этом случае образуется сорбит – тонкая (дисперсная) механическая смесь феррита и цементита. Сталь, в которой доминирует структура сорбита, имеет твердость 30–40 HRC. Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью. Устойчивость аустенита в значительной мере зависит от степени переохлаждения. Наименьшую устойчивость аустенит имеет при температурах, близких к +550 °C. Для эвтектоид—ной стали время устойчивости аустенита при температурах от + 550 до +560 °C – около 1 с. По мере удаления от температуры +550 °C устойчивость аустенита возрастает. Время устойчивости при +700 °C составляет 10 с, а при +300 °C – около 1 мин. При охлаждении стали до +550 °C (точки начала и конца распада – a2 и b2 соответственно – на диаграмме) аусте—нит превращается в троостит;

45. Перлитное превращение при охлаждении аустенита эвтектоидной стали.

Аустенит является устойчивым только при температурах выше Ас1. При охлаждении стали ниже критических температур аустенит становится неустойчивым и начинается превращение аустенита в перлит (перлитное превращение). Рассмотрим это превращение на примере эвтектоидной стали.

Чем ниже температура превращения, тем больше степень переохлаждения аустенита и тем быстрее будет происходить превращение аустенита в перлит.

С другой стороны такое превращение носит диффузионный характер и связано с перераспределением углерода, причем чем ниже температура, тем медленнее идет процесс диффузии. Такое противоположное действие обоих факторов (переохлаждения аустенита и диффузии углерода) приводит к тому, что с понижением температуры скорость превращения возрастает, достигает максимума, а затем скорость превращения убывает.

Перлит растет из отдельных центров в виде пластин (рис.9.3). Зародышем перлитных пластин обычно является цементит (рис.9.3, а), зарождение которого облегчено на границе аустенитных зерен. При утолщении цементитной пластины вблизи нее аустенит обедняется углеродом и создаются условия для зарождения путем полиморфного γ → α превращения ферритных пластин, примыкающих к цементитной пластине (рис.9.3,б).

При утолщении же ферритной пластины (малое содержание углерода) он оттесняется в аустенит, в результате чего создаются благоприятные условия для появления новых цементитных пластин. Кроме бокового (рис..9.3,а, б, в) при превращении А → П имеет место и торцевой рост пластин феррита и цементита

46. Мартенситное превращение аустенита.

Быстрое охлаждение стали, нагретой до высоких температур предотвращает течение диффузионных процессов распада аустенита. Однако аустенит не переохлаждается до комнатной температуры —в процессе охлаждения он превращается в мартенсит. Твердый раствор углерода в у - железе превращается в пересыщенный твердый раствор углерода в а - железе, существующий только в метастабильном состоянии. Превращение заключается лишь в изменении упаковки атомов без изменения концентрации твердого раствора.
Мартенситное превращение обладает рядом особенностей; Превращение аустенита в мартенсит было первым в котором эти особенности были обнаружены. В дальнейшем оказалось, что превращения с такими характерными чертами имеют место во многих металлах и сплавах и являются одним из главных видов превращений в области температур, в которой процессы диффузии и самодиффузии протекают медленно. В настоящее время все превращения этого типа называют мартенситными.

47. Отжиг и нормализация стали.

Отжиг - это первичная операция термической обработки, при которой стали нагревают до определенных температур, выдерживают при этих температурах и затем медленно охлаждают вместе с печью.

Цель и назначение отжига так же разнообразны, как и выполнение. Отжиг применяют для снятия внутренних напряжений, повышения механических свойств металла, улучшения обрабатываемости режущим инструментом, снижения твердости и для подготовки структуры к дальнейшей термической обработке.

В зависимости от температуры нагрева и назначения различают следующие виды отжига: полный, неполный, отжиг на зернистый перлит, изотермический, диффузионный и т. д.

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры 30-50°С выше верхних критических точек АСз и Аст, выдерживают при этой температуре и затем охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией.

Нормализацией устраняют внутренние напряжения и наклеп, повышают механические свойства и подготовляют структуру стали для окончательной термической обработки.

При нормализации превращение аустенита происходит с большей степенью переохлаждения, чем при отжиге, поэтому перлит имеет более тонкую структуру. В результате нормализации сталь получает нормальную, однородную мелкозернистую структуру. При нормализации среднеуглеродистых и малолегированных сталей образуется структура сорбитообразного перлита или сорбита и свободного феррита. При этом прочность и ударная вязкость нормализованной стали значительно выше, чем отожженной. Например, у хромистой стали 40Х после отжига σь = 65,5 кгс/мм2, δ = 21%, ак=5,6 кгсм/см2, а после нормализации σь =75,4 кгс/мм2; δ = 20,9%; ак = 7,8 кгсм/см2. Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки, а следовательно, и более производительным. Поэтому углеродистые стали целесообразнее нормализовать, а не отжигать.

48. Закалка и отпуск стали.

Для того, чтобы повысить механические свойства стали, производится ее закалка с последующим отпуском. Термообработка (закалка) заключается в том, что сталь нагревают до определенной температуры, благодаря чему изменяется структура металла. Это позволяет повысить прочность, износостойкость и хладоломкость (то есть, способность металла не ломаться и не трескаться при холодной обработке).

Скорость и температура нагрева, а также время выдержки при данной температуре и скорость охлаждения, определяют режимы выполнения работы. После завершения данного процесса конструкционные стали становятся более прочными, а инструментальные – твердыми и износостойкими. Закаленная сталь становится по своей структуре мартенситом.

В зависимости от химического состава выбирается температура нагрева для закаливания. Доэвтектоидные разновидности нагревают до температуры выше точки АС3 на 30-50 градусов и позволяют получать материал однородного аустенита, который охлаждают со скоростью, превышающей скорость закалки. В результате этого сталь превращается в мартенсит, а закалка носит название «полной». Если доэвтектоидную сталь нагревать до критической температуры АС1 – АС3, то мартенсит может сохранить в своей структуре феррит, который снизит ее твердость.

Заэвтектоидная разновидность нагревается выше АС1 на 20-300 С, это называется «неполной закалкой». Цементит сохраняется в процессе нагрева и охлаждения, что способствует повышению твердости (цементит тверже мартенсита).

После нагрева состав требуется быстро охладить при температуре 650-550 С (при данной температуре аустенит менее устойчив), чтобы получить структуру мартенсита. В том случае, когда аустенит превращается в мартенсит при температуре ниже 240 С, применяется замедленное превращение, при котором внутренне напряжение выравнивается, а твердость мартенсита сохраняется. Для того чтобы термообработка прошла успешно, необходимо правильно подобрать закаливающую среду.

Чаще всего закалка стали проводится в воде, 5-10 % растворе едкого натра, масле или же поваренной соли. Углеродистые стали закаливают в воде с температурой 180 С, а легированные – в минеральном масле.

Способы закалки бывают следующие:

• Закалка в одной среде (охладителе). При этом способе нагретую до определенной температуры заготовку помещают в закалочную среду, где она находится до полного охлаждения. Этот способ применяют для простых деталей из углеродистой и легированной сталей;

• Закалка в 2-х средах (прерывистая). Детали быстро охлаждают в воде, а затем медленно в масле. Применяют для высокоуглеродистых сталей;

• Закалка струйчатая. Определенная часть детали интенсивно обрызгивается струей воды. Она производится на установках ТВЧ и в индукторах;

• Закалка ступенчатая. Закалка производится в среде, температура которой выше, чем мартенситная точка данного типа материала. Деталь, охлаждаемая и выдерживаемая в закаливающей среде, приобретает одинаковую температуру во всех точках сечения. Далее деталь медленно охлаждается и происходит процесс превращения аустенита в мартенсит;

• Закалка изотермическая. При таком способе деталь выдерживается в закаливающей среде время, при котором происходит изотермическое превращение аустенита в мартенсит, чем и отличается от ступенчатой закалки.

После того, как материал подвергли закаливанию, производится его отпуск. Отпуском стали называется техпроцесс, при котором закаленный на мартенсит металл подвергается мартенситному распаду или рекристаллизации. Отпуск производится с целью придания стали высокой пластичности и снижения хрупкости с сохранением прочности. Он заключается в нагреве детали до температуры от 150-260 до 370-650 С, после чего производится медленное остывание.

Он может быть следующих видов:

• низкотемпературный, проводимый до 250 С для деталей из низколегированных и углеродистых сталей. Все металлорежущие и измерительные инструменты подвергаются низкотемпературному отпуску;

• среднетемпературный, проводится при температуре 350-500 С. Его проводят для пружин, штампов и рессор. После отпуска детали охлаждают в воде. Такой способ значительно увеличивает срок службы пружин;

• высокотемпературный. Он проводится при температурах в 500-680 С и дает возможность для сохранения высокой прочности, вязкости, а также пластичности. Применяется для валов и зубчатых колес.

49. Закалка стали токами высокой частоты.

Закалка – это технологический процесс высокотемпературной обработки металла, заключающийся в нагреве металла до нижней критической точки АС1 или верхней АС3. После нагрева металл выдерживается при заданной температуре, а затем проходит быстрое охлаждение при помощи технических масел или воды, а в некоторых случаях – медленное охлаждение на открытом воздухе. После закалки сталь меняет структуру и становится более твердой. Закалка в основном производится для повышения прочности конструкции.

Инструментальные стали становятся более твердыми и износостойкими после обработки под воздействием высокой температуры.