Файл: Praktikum матеріалознавство.doc

Рис.7.4. Схеми форми графіту в чавунах: а — сірому, б —ковкому, в —високоміцному, г — з вермикулярною формою графіту.

Ковкі чавуни знайшли широке застосування в сільськогосподарському, автомобільному, текстильному машинобудуванні. З нього виготовляють деталі високої міцності, що працюють у важких умовах зношування, здатні сприймати ударні та змінні за напрямом навантаження (картери редукторів, гаки, скоби, фланці, ступиці коліс, елементи карданних валів, ланцюги та ролики конвеєрів тощо). Добрі ливарні властивості вихідного білого чавуну дають можливість виготовляти виливки складної форми.

Високоміцний чавун (ДСТУ 3925-99). Високоміцним називається чавун, в якому графітні включення мають кулясту форму. Така форма графіту утворюється при обробці рідкого чавуну невеликими дозами таких елементів як магній, церій, кальцій, ітрій. Ці елементи називаються модифікаторами. Вони, практично, не змінюють хімічний склад сплавів, зате суттєво впливають на їхню структуру, змінюючи форму графітних включень, розмір зерен, їх розташування тощо. Як модифікатор для виготовлення чавуну з кулястим графітом найчастіше всього використовується магній – найбільш ефективний і дешевий елемент. Остаточний вміст магнію для отримання кулястого графіту становить 0,04...0,06%. За вмістом решти елементів високоміцний чавун не відрізняється від сірого, за винятком сірки, якої у високоміцному чавуні 0,01...0,03%. Таке зменшення вмісту сірки відбувається завдяки тому, що магній при обробці рідкого чавуну активно реагує із сіркою з утворенням нерозчинних у чавуні сульфідів магнію Mg₂S.

Високоміцний чавун поділяється на марки: ВЧ 350-22; ВЧ 400-15; ВЧ 420-12; ВЧ 450-10; ВЧ 450-5; ВЧ 500-7; ВЧ 600-7; ВЧ 700-2; ВЧ 800-2; ВЧ 900-2; ВЧ 1000-2 (В – високоміцний, Ч – чавун, перше число вказує межу міцності на розтяг в МПа, друге число через дефіс – значення межі відносного видовження у відсотках).

Високоміцний чавун використовується для виготовлення середньо – та важко навантажених деталей відповідального призначення: прокатного, ковальсько-пресового обладнання, корпусів парових турбін, колінчастих валів для автомобілів, тракторів та комбайнів, поршнів, кронштейнів та інших деталей.

Чавун із вермикулярним графітом. Високоміцний чавун із кулястим графітом поряд із його позитивними якостями (високі механічні та експлуатаційні характеристики) має і суттєві недоліки (підвищену об'ємну усадку, понижену теплопровідність, схильність до відбілу). В чавуні з вермикулярним графітом ці недоліки відсутні. В ньому поєднуються високі механічні і ливарні властивості, висока теплопровідність, низька собівартість.

Графіт в такому чавуні має вигляд коротких потовщених пластин з закругленими кінцями (рис.7.3, г), форма яких є перехідною між пластинчатим і кулястим графітом. Як конструкційний матеріал чавун із вермикулярним графітом є найбільш молодим типом чавуну.

Перша технологія його виробництва була розроблена лише в 1966 році. Суть цієї технології полягає в тому, що рідкий чавун обробляється модифікаторами в кількості, недостатній для отримання цілковито кулястої форми графіту. У структурі чавуну утворюється вермикулярний графіт і 20..30% кулястого. Наприклад, при обробці чавуну магнієвими модифікаторами остаточний вміст магнію для забезпечення вермикулярного графіту повинен бути біля 0,02%.

До 1999 р. не було стандартів на чавун із вермикулярним графітом, і навіть це не перешкоджало його успішному використанню в машинобудуванні. Зараз існує ДСТУ 3326-99 "Чавун з вермикулярним графітом", за яким цей чавун поділяється на марки: ЧВГ 300-4; ЧВГ 400-4; ЧВГ 500-1 (Ч – чавун, В – вермикулярний, Г – графіт, перше число вказує межу міцності на розтяг в МПа, друге число через дефіс – значення межі відносного видовження у відсотках).

Чавун з вермикулярним графітом є ефективним матеріалом для деталей машин, які зазнають досить високих статичних, ударних і циклічних навантажень, працюють в умовах теплозмін тощо. В автомобілебудуванні цей чавун застосовується для виготовлення головок блоків циліндрів, випускних колекторів, гальмівних дисків, колінчастих і розподільчих валів, блоків циліндрів, зубчастих коліс, корпусів турбокомпресорів тощо.

Завдання на роботу

1. Вивчити під мікроскопом мікрошліфи чавунів, визначити структурні складові і за ними визначити вид чавуну (білий, сірий, ковкий, високоміцний).

2. Зарисувати схеми мікроструктур (на рисунках структура металевої основи чавунів зображається так як і сталей – див. рис. 6.1).

3. Записати приблизну марку чавуну, його хімічний склад, властивості, сферу використання.

4. Скласти звіт про роботу.

Контрольні питання для самопідготовки

1. Які сплави називаються чавунами?

2. Які типи конструкційних чавунів існують?

3. Яка основна структурна відмінність чавунів різних типів?

4. Якою може бути структура металевої основи чавунів?

5. Від чого залежить отримання тієї чи іншої структури металевої основи чавунів?

6. В чому полягає технологія виготовлення ковкого чавуну?

7. В чому полягає технологія виготовлення високоміцного чавуну?

8. Як маркуються чавуни різних типів?

Лабораторна робота № 8 термічна обробка сталей

Мета роботи: вивчення методики призначення режимів відпалу, нормалізації і загартування, придбання практичних навичок проведення різноманітних операцій термічної обробки, дослідження впливу вмісту вуглецю і температури відпуску на твердість загартованої сталі.

Матеріали та обладнання. Для виконання цієї лабораторної роботи надаються зразки сталей, термічна піч, термопара з приладом реєстрації температури, охолодні середовища (вода, мінеральне масло), прилади для вимірювання твердості.

Теоретичні відомості. Термічною обробкою сталі називається технологічний процес, який полягає в нагріванні сталі до визначеної температури, витримки і наступного охолодження з певною швидкістю. При термічній обробці отримують необхідні властивості сталі, змінюючи її структуру без зміни хімічного складу. Біля 40 % сталі, споживаної машинобудуванням для виготовлення деталей машин, приладів, устаткування, піддають різноманітним видам термічної обробки. Оскільки основними чинниками при термічній обробці є температура і час, то будь-який процес термічної обробки можна представити в цих координатах (див.рис. 8.4).

Основні параметри режиму термічної обробки - температура нагрівання (t_Н), швидкість нагрівання (v_H), тривалість витримки при температурі нагрівання (_B) і швидкість охолодження (v_o).

Температура нагрівання сплаву при конкретному виді термічної обробки визначається температурами фазових перетворень (критичними температурами) на відповідній діаграмі його стану. Ці критичні температури для кожної стадії позначаються літерою0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 А з відповідним індексом ( А₁, А₂, А_3, А₄, А_cm). Критичні точки А₁ на лінії PSK показують перетворення А  П (при охолодженні – Аr₁) або П  А (при нагріванні – Аc₁); А₃ на лінії GS – початок виділення фериту з аустеніту при охолодженні або кінець його розчинення при нагріванні (відповідно – Аr_{3 і} Ac₃); А_ст на лінії SE – початок виділення цементиту вторинного з аустеніту в заевтектоїдних сталях при охолодженні або кінець його розчинення при нагріванні (відповідно - Ar_cm і Ac_cm).

Температура нагрівання при термічній обробці сталей, щоб уникнути її оплавлення, не повинна перевищувати лінії солідуса.

Швидкість нагрівання вибирається в залежності від ряду чинників: теплопровідності сталі, форми і розмірів деталей, загальної маси деталей, що нагріваються, характеру їх розташування в печі, та деяких інших.

Тривалість витримки при заданій температурі нагрівання визначається швидкістю фазових перетворень, що відбуваються в металі. Витримка необхідна для завершення фазових перетворень і вирівнювання температури по об’єму деталі.

Швидкість охолодження вибирається в залежності від ступеня стійкості переохолодженого аустеніту, обумовленого переважно хімічним складом сталі, а також від необхідних структури і властивостей сплаву. В залежності від швидкості охолодження вуглецевої сталі можуть бути отримані перлітна, сорбітна, трооститна або мартенситна структури (рис.7.1) з різноманітними властивостями.

Термічна обробка поділяється на власне термічну, хіміко-термічну і деформаційно-термічну. Перша в свою чергу включає чотири основні групи: відпал першого роду, відпал другого роду, загартування, відпуск.

В і д п а л п е р ш о г о р о д у сприяє усуненню відхилень у структурі сплавів від рівноважного стану, що виникли при литті, деформуванні, механічній обробці, зварюванні й інших технологічних процесах. Розрізняють такі основні види відпалу першого роду: дифузійний, рекристалізаційний, низький.

Дифузійний, або гомогенізуючий, відпал застосовується для усунення ліквації, тобто неоднорідності хімічного складу всередині окремих зерен або в об’ємі сплаву, що виникає частіше всього в процесі кристалізації. Він полягає у нагріванні сталі до температур, що значно перевищують критичні (1050...1200°С), тривалій витримці (10... 100 год) і повільному охолодженні (з виключеною піччю), що забезпечує дифузію нерівномірно розподілених елементів.

Для усунення різноманітних відхилень у структурі сплавів від рівноважного стану, що виникнули в результаті наклепу при холодному пластичному деформуванні, застосовується рекристалізаційний відпал. Він включає нагрівання металу до температур, що перевищують температуру рекристалізації (для сталі Т_рекр = 0,3...0,4 Т_пл), витримку (1...2 год) і повільне охолодження.

Низький відпал застосовується для усунення залишкових внутрішніх напружень, що виникають, наприклад, у зоні термічного впливу при зварюванні виробів, внаслідок нерівномірного охолодження виливків або зрізання окремих об’ємів металу при механічній обробці і порушення врівноважених напружень між окремими частинами деталі. Він включає нагрівання металу до температур 150...700°С, витримку і наступне повільне охолодження.