1.            Влияние формы включений графита и металлической основы на свойства чугуна Способы получения серых, ковких и высокопрочных чугунов.

 

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% С и затвердевающие с образованием эвтектики, называемой ледебуритом. Чугун отличается от стали составом, лучшими литейными качествами, малой величиной пластиче-ской деформации.

4.1. Белый чугун

Белыми называют чугуны, у которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды (HB 4500 -5500 МПа), хрупки и для изготовления деталей машин почти не используются.

Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны (отливки из серого чугуна с поверхностным слоем белого чугуна). Из них изготавливают прокатные валки,

лемеха плугов, тормозные колодки, вагонные колеса и другие детали, работающие в условиях износа. Белый чугун используется также как передельный для получения с помощью графитизирующего отжига ковкого чугуна.

4.2. Серый чугун

Серыми называют чугуны, у которых весь углерод или часть его присутствует в свободном состоянии в форме графита. Термины: белый и серый чугуны связаны с видом излома, определяемым наличием либо светлых кристаллов цементита, или темных кристаллов графита.

Графит имеет практически нулевую прочность и пластичность. Он обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения, а также способствует гашению вибрации и резонансных колебаний. Кроме того, графит способствует при охлаждении отливки некоторому увеличению ее объема, чем обеспечивается хорошее заполнение формы. Вместе с тем, включения графита снижает прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы сплава.

В зависимости от формы графита различают обыкновенный серый чугун (графит пластинчатой формы), высокопрочный чугун (графит сфе-рической формы) и ковкий чугун (графит хлопьевидной формы).

Обыкновенный серый чугун это сплав сложного состава. Химический состав серого чугуна колеблется в пределах: 3,2 -3,8 %С. Факторами, способствующими гра-фитизации являются низкая скорость охлаждения и наличие в химическом составе чугуна графитизирующих элементов Si, Ni, Cu.

На свойства серого чугуна оказывают большое влияние вид графитовых включений, их размеры, характер металлической основы. От формы и количества графита зависит прочность и пластичность чугуна (от 0,5% относительного удлинения при пластинчатой форме графита до 20% при шаровидной форме). Вытянутые пластинки графита фактически являются трещинами в металлической основе и сильными концентраторами напря-жений, на их концах при приложении нагрузки напряжения быстро дости-гают разрушающих величин. Твердость и износостойкость чугунов растет с увеличением перлита в металлической основе серого чугуна (различают чугуны с ферритной, феррито-перлитной и перлитной основой).

4.3. Высокопрочный чугун

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, церием, которые вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08%. Шаровидный графит является более слабым концентратором напряжений, чем пластинчатый графит, поэтому меньше снижает механические свой-ства чугуна. Высокопрочный чугун обладает более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Обычный состав высокопрочного чугуна: 2,7-3,8%С.

4.4. Ковкий чугун

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают путем специального графитизирующего отжига (томления) отливок из белых доэвтектических чугунов. Отливки загружают в 60 специальные ящики, засыпают песком или стальными стружками для за-щиты от окисления и производят нагрев и охлаждение по схеме.При температуре 950 -1000 °С происходит графитизация эвтектического и избыточного цементита (превращение метастабильного цементита в стабильный графит и аустенит). При второй выдержке при температуре 720 – 740 °С графитизируется цементит образовавшегося перлита (иногда вместо выдержки проводят медленное охлаждение от 770°С до 700°С в те-чение 30 часов, при этом происходит кристаллизация по стабильной диа-грамме с выделением углерода в свободном состоянии). В результате продолжительного отжига весь углерод выделяется в свободном состоянии. Обычный состав ковкого чугуна 2,4-2,8 %С. Структура ферритная или феррито-перлитная .

 

2. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа, на аустенитное и мартенситное превращения, на упрочнение феррита, на превращения при отпуске стали.

Влияние на полиморфизм железа

Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существования его аллотропических модификаций, то есть сдвигают точки А3 и А4 по температурной шкале.

Определенные элементы повышают температуру А4 и снижают темпе-ратуру А3, расширяя область существования γ - модификации (рис. 2.1а), другие понижают А4 и повышают А3, сужая область существования γ- модификации (рис.2.1 б).

Из схематических диаграмм состояния железо - легирующий элемент следует, что при содержании марганца, никеля (аустенитостабилизаторов) свыше определенного количества (c) (рис.2.1, а) γ - состояние существует как стабильное от температуры плавления до комнатной температуры. Та-кие сплавы на основе железа называются аустенитными. При содержании ванадия, молибдена, кремния и других элементов ферритостабилизаторов свыше определенного значения (d) устойчивым при всех температурах яв-ляется α-состояние ( рис.2.1, б). Такие сплавы на основе железа называются ферритными. Аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений в твердом состоянии при нагревании и охлаждении.

 

                                                     а                                    б

Рис.2.1. Схема диаграмм состояния железо - легирующий элемент: а – элементы, расширяющие γ-область, б – элементы, расширяющие α-область.

 

Влияние легирующих элементов на феррит

Растворение легирующих элементов в α-железе происходит путем замещения атомов железа атомами этих элементов. Атомы легирующих элементов, отличаясь от атомов железа размерами и строением, создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Изменение размеров α-решетки вызывает и изменение свойств феррита.

На рис.2.2 показаны изменения механических свойств феррита (твердость, ударная вязкость) при растворении в нем различных элементов.

Рис. 2.2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита: а - твердость;

б - ударная вязкость

            Как видно из диаграмм, хром, молибден, вольфрам (более 1 %) упрочняют феррит меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден вольфрам, марганец и кремний снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость значительно слабее перечисленных элементов, а никель не снижает вязкости феррита.

         Важное значение имеет влияние элементов на порог хладноломкости, что характеризует склонность стали к хрупкому разрушению. Наличие хрома в железе способствует некоторому повышению порога хладноломкости, тогда как никель интенсивно снижает порог хладноломкости, уменьшая тем самым склонность железа к хрупким разрушениям. Таким образом, из перечисленных элементов наиболее ценным является никель, интенсивно упрочняющий феррит, не снижающий его вязкости и понижа-ющий порог хладоломкости.

         Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита

Кинетика распада аустенита определяет поведение стали при термической обработке. Легирующие элементы, которые только растворяются в феррите или цементите, не образуя специальных карбидов, оказывают лишь количественное влияние на процессы превращения. Большинство элементов ( Ni, Сu и другие) замедляют его (рис. 2.3, а), исключением яв-ляется Со, который ускоряет превращение. Карбидообразующие элементы вносят не только количественные, но и качественные изменения в кинетику изотермического превращения. Леги-рующие элементы при разных температурах по-разному влияют на скорость распада аустенита: 700-500 °С (образование перлита) – замедляют превращение; 500-400°С – весьма значительно замедляют превращение; 400-300 °С (образование бейнита) – ускоряют превращение (рис. 2.3, б).

Таким образом, в сталях, легированных карбидообразующими элементами (Cr, Mo, W и др.), наблюдаются два максимума скорости изотермического распада аустенита, разделенных областью относительной устойчивости переохлажденного аустенита.

         Изотермический распад аустенита имеет два явно выраженных интервала превращений – превращение в пластинчатые (перлитное превращение) и превращение в игольчатые (бейнитное превращение) структуры.

Схематическое изображение диаграммы изотермического превраще-ния (показано лишь начало превращения) приведено на рис 2.3.

Рис. 2.3. Схема диаграмм изотермического распада аустенита: а – углеродистая сталь и сталь, легированная некарбидообразующими элементами; б – углеродистая сталь и сталь, легированная карбидообразующими элементами

            Практически наиболее важной является способность легирующих элементов замедлять скорость распада аустенита в районе перлитного превращения, что выражается в смещении вправо линии на диаграмме изотермического распада аустенита. Это способствует более глубокой прокаливаемости и переохлаждению аустенита до интервала мартенситного 13 превращения при более медленном охлаждении, например, при охлаждении в масле или на воздухе.

Наиболее сильно увеличивают прокаливаемость хром, никель, молибден, марганец, поэтому они входят в состав большинства конструкционных легированных сталей. Прокаливаемость стали может быть существенно увеличена при совместном легировании несколькими элементами. Таково, например, совместное действие никеля и хрома. Очень эффективно действует молибден при введении его в хромоникелевую сталь.

Своеобразно влияют на кинетику распада такие сильные карбидооб-разователи, как Ti, V, Nb и отчасти W. Так как элементы образуют труднорастворимые карбиды, то при обычных температурах закалки (800 - 900 °С) они остаются связанными в карбиды и не переходят в аустенит. В результате этого прокаливаемость стали уменьшается, так как карбиды действуют как готовые центры кристаллизации перлита. При высоком нагреве под закалку эти карбиды уже растворяются в аустените, что уве-личивает прокаливаемость.

 

2.5.2. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение

Легирующие элементы, не влияя на кинетику мартенситного превра-щения, оказывают влияние на положение температурного интервала мар-тенситного превращения, что отражается на количестве остаточного аустенита, которое фиксируется в закаленной стали. Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита (Аl, Со), другие не влияют на нее (Si), но большинство снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превра-щения (а) и количество остаточного аустенита (б) сталей, содержащих 1 %С

            Из диаграммы видно, например, что 5 % Мn снижает мартенситную точку до 0 °С, следовательно, при таком (или большем) содержании этого легирующего элемента охлаждением можно зафиксировать аустенитное состояние.

2.5.3. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустента

Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита является прямым следствием различной устойчивости карбидов этих элементов. Избыточные карбиды, не растворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна. В связи с этим, хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан сильно измельчают зерно; никель, кобальт, кремний, медь (элемен-ты, не образующие карбидов) слабо влияют на рост зерна; марганец, бор способствуют росту зерна.

Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске

Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Некоторые элементы, такие как никель или марганец, влияют незначительно, тогда как большинство (хром, молибден, кремний и др.) – весьма заметно. Для получения одинаковых результатов сталь, легированную такими элементами, как хром, молибден, кремний и др., нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска, по сравнению с углеродистой сталью.

        

3. Латуни: состав, структура, свойства и маркировка.

         Латуни

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. Практическое применение имеют медные сплавы с содержанием цинка до 45 %. Диаграмма состояния Cu-Zn приведена на рис. 3.4.

Медь с цинком образует α-твердый раствор цинка в меди с максимальной растворимостью цинка 39 %, а также высокотвердые и хрупкие фазы β, γ, ε, которые являются твердыми растворами на базе электронных соединений: β - CuZn, γ – Cu5Zn; ε -CuZn3.

Рис.3.4. Диаграмма состояния Cu – Zn

            В зависимости от содержания цинка различают однофазные α - латуни и двухфазные α + β'-латуни.

Однофазные латуни (до 39 % Zn) находят применение для изготовления деталей деформированием в холодном состояния, так как они имеют хорошую пластичность (рис.3.5). Из них изготавливаются ленты, радиа-орные трубки, проволока, гильзы патронов.

Двухфазные α + β' -латуни, содержащие цинк от 39 до 45 %, используются для изготовления деталей из отливок обработкой резанием или деформированием при температуре выше 500 °С, так как эти латуни имеют низкую пластичность в холодном состоянии (рис. 3.5). Нагрев приводит к превращению β'- фазы в β - фазу с неупорядоченным расположением ато-мов и более высокой пластичностью.

Рис. 3.5. Влияние цинка на механические свойства меди

            Из двухфазных α + β' - латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой получают детали.

При содержании цинка более 45 % в латуни присутствует только β' - твердый раствор. β' - латуни обладают максимальной прочностью (σb = 420 МПа), но практического применения не находят ввиду очень низкой пла-стичности (δ = 7 %).

Увеличение содержания цинка повышает прочность (до 45 % Zn) и пластичность (до 37 % Zn ) рис. 3.5, удешевляет латуни, улучшает их об-рабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем, уменьшается теплопроводность и электропровод-ность, которые составляют 20 - 50 % от характеристики меди.

Латуни маркируются буквой Л и последующим числом, показывающим содержание меди в процентах, например, в сплаве Л62 имеется 62 % Сu и 38 % Zn. При наличии других элементов после буквы Л ставятся буквы, являющиеся начальной буквой элементов (О олово, А алюми-ний, К кремний, С свинец, Н никель, Мц марганец, Ж железо). Ко-личество этих элементов обозначается цифрами.

Присутствующие в латуни элементы повышают твердость и снижают пластичность латуней, особенно однофазных. Двухфазные латуни нередко легируют Аl, Fe, Ni, Si, Мn, Рb и другими элементами. Такие латуни назы-вают специальными или многокомпонентными.

Так, свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства (ЛC 59-1). Алюминий повышает прочность, твер-дость и коррозионную стойкость латуни (ЛA 77-2). Кремний улучшает жидкотекучесть, свариваемость и способность к деформация (ЛК 80-3).

Никель повышает растворимость цинка в меди и улучшает механические свойства (ЛН 65-5). Олово повышает сопротивление коррозии в морской воде (ЛО 70-1 морская латунь).

Все латуни по технологическому признаку подразделяются на деформируемые, из которых изготавливают листы, ленту, трубы, проволоку (ЛАЖ 60-1-1, ЛЖМц 59-1-1, ЛC 59-1) и литейные для фасонного литья(ЛК 80-ЗЛ, ЛАЖМц 66-6-3-2, ЛКС 80-3-3), из которых изготавливают детали в судостроении и общем машиностроении.

ЛатунЬ ЛC 59-1 содержит 59 % Сu, 1 % Рb и 40 % Zn. В соответcтвии с содержанием цинка латунь ЛC 59-1 относится к двухфазным. Она содержит в структуре α-твердый раствор и β'-твердый раствор и называется автоматной латунью, так как хорошо обрабатывается резанием, чему способствует присутствующий свинец. Механические свойства латуни ЛC 59-1: в мягком состоянии (после отжига) – σb = 400 MПa; δ = 45 %; в твердом состоянии (после наклепа) σb = 650 МПа, δ = 5 %.

Существует и другая маркировка, используемая для литейных латуней. В литейные латуни обозначаются подобно легированным сталям, где количество каждого легирующего эле-мента приводится непосредственно после его буквенного обозначения. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 %Zn, 6 % Al; 3 %Fe, 2 % Mn и остальное медь.