Связь между диаграммами состояния и технологическими свойствами сплава

Вопрос №9.

Классификация специальных способов литья.

Точность геометрических размеров, степень шероховатости поверхности отливок, полученных в песчаных формах, во многих случаях не удовлетворяют требованиям современной техники. Поэтому

быстрыми темпами развиваются специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное и другие, позволяющие получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на механическую обработку, а иногда даже исключающие ее, что обеспечивает высокую производительность труда и т.д.

Сущность литья в оболочковые формы заключается в изготовлении отливок путем заливки расплавленного металла в разовую тонкостенную разъемную литейную форму, изготовленную из песчаносмоляной смеси с термореактивным связующим по металлической нагреваемой модельной оснастке, с последующим затвердеванием залитого расплава, охлаждением отливки в форме и выбивкой ее из формы. Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую геометрическую точность отливок, так как формовочная смесь, обладая высокой подвижностью, дает возможность получать четкий отпечаток модели. Точность отпечатка не нарушается потому, что оболочка снимается с модели без расталкивания. Повышенная точность формы позволяет в ~2 раза снизить припуски на механическую обработку отливок. Применяя мелкозернистый кварцевый песок для форм, можно снизить шероховатость поверхности отливок. Высокая прочность оболочек позволяет изготовлять формы тонкостенными, что значительно сокращает расход формовочных материалов. В оболочковых формах изготовляют отливки с толщиной стенки 3... 15 мм и массой 0,25...100 кг для автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин из чугуна, углеродистых сталей, сплавов цветных металлов.

Сущность литья по выплавляемым моделям сводится к изготовлению отливок заливкой расплавленного металла в разовую тонкостенную неразъемную литейную форму, изготовленную из жидкоподвижной огнеупорной суспензии по моделям разового использования с последующим затвердеванием залитого металла, охлаждением отливки в форме и извлечением ее из формы

Диаграммой состояния называется графическое изображение, показывающее фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации химических компонентов в условиях равновесия.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе че­рез которую свойства сплава изменяются скачкообразно. На рис. 1.9 изображена диаграмма состояния железоуглероди­стых сплавов, имеющая большое практи­ческое значение.

Структурные составляющие желе­зоуглеродистых сплавов. В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют сле­дующие составляющие.

Аустенит - твердый раствор угле­рода в -железе с предельной концентра­цией углерода 2,14 % при температуре 1147 °С; с понижением температуры до 727 °С концентрация углерода уменьша­ется до 0,8 %; сталь со структурой аустенита имеет высокие пластичность и вяз­кость. Аустенит немагнитен (-железо -модификация железа, имеющая кристал­лическую решетку гранецентрированного куба).

Феррит - твердый раствор углерода в -железе с предельной концентрацией углерода 0,02 % при температуре 727 °С; сталь со структурой феррита ферромагнитна вплоть до температуры Кюри 770 °С, имеет малую твердость и высокую пластичность (-железо - модификация железа, имеющая кристаллическую ре­шетку объемно-центрированного куба).

Цементит - химическое соедине­ние железа с углеродом Fe₃C (6,67 % С); ферромагнитен до температуры Кюри 210 °С, имеет высокие твердость и хруп­кость.

Перлит - механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, образую­щаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8 % С); сталь, имеющая структуру перлита, ферромагнитна, обладает повы­шенными прочностью и твердостью.

Ледебурит (4,3 % С) - механиче­ская смесь (эвтектика) аустенита и цемен­тита; ниже температуры 727 °С аустенит превращается в перлит, при этом образу­ется смесь перлита и цементита - превра­щенный ледебурит.

Графит - углерод в свободном состоянии, образующийся в чугунах в результате распада цементита при медленном охлаждении. Графит немагнитен, мягок, имеет низкую прочность.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Основные свойства сплава определяются содержанием углерода. Взаимодействие углерода с - или - модификациями железа приводит к образованию железоуглеродистых сплавов, различных по строению и свойствам. Построение диаграммы состояния железо - углерод (цементит) дает представление о температурах и концентрационных границах существования этих сплавов.

На диаграмме состояния железо- углерод (см. рис. 1.9) линия ABCD – линия ликвидуса, выше нее сплав находится в жидком состоянии; линия AECF – линия солидуса, ниже нее сплав находится в твердом состоянии. При температурах соответствующих линии AECF, заканчивается первичная кристаллизация. В точке С при концентрации углерода 4,3 % образуется эвтектика, которая носит название ледебурит. Линия PSK - линия эвтектоидного превращения, на которой заканчивается процесс вторичной кристаллизации. Линия PS - линия нижних критических точек А₁. Линия GSE - начало процесса вторичной кристаллизации твердого раствора. Линия GS ~ линия верхних критических точек А₃, она показывает температуру начала выделения феррита из аустенита. Линия SE - линия верхних критических точек А_т, она показывает температуру начала выделения вторичного цементита и является линией, определяющей предельную растворимость углерода в аустените. Сплавы, содержащие до 2,14 % С, условно называют сталями, более2,14 % С - чугунами. Сталь, содержащая0,8 % С, называется эвтектоидной; сталь, содержащая менее 0,8 % С, - доэвтектоидной, сталь, содержащая более 0,8 % С, -заэвтектоидной.

Термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенных температур, выдержке их при этих температурах и последующем охлаждении с различной скоростью. При этом изменяются структура сплава, а следовательно, и его свойства. Изменяя скорость охлаждения, можно получить различные физико-механические свойства и структуры железоуглеродистых сплавов. Основные виды термической обработки - отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг - нагрев доэвтектоидной стали выше точки А₃, заэвтектоидной - выше точки А_m, с последующим охлаждением вместе с печью. После полного отжига структура сплава состоит из феррита и перлита (доэвтектоидные стали). Отжиг снимает внутреннее напряжение, снижает твердость, повышает пластичность, улучшает обрабатываемость, устраняет хими­ческую неоднородность. Неполный отжиг - нагрев выше точки A_h но ниже А₃; проис­ходит неполная фазовая перекристаллиза­ция.

Нормализация - нагрев выше точ­ки А₃, охлаждение на воздухе; нормализа­ция приводит к измельчению зерна и по­вышению прочности.

Закалка - нагрев выше точки Аз, быстрое охлаждение в воде или масле; повышает твердость и прочность, снижает пластичность.

Регулируя скорость охлаждения ста­ли из аустенитного состояния,- можно по­лучать различные структуры: мартенсит, троостит, сорбит, перлит.

Отпуск - нагрев ниже точки А₁ и медленное охлаждение; его применяют как сопутствующую операцию после за­калки для получения более устойчивых структур. Высокий отпуск (нагрев до тем­пературы 700 °С) применяют для повы­шения пластичности и обрабатываемости при небольшом снижении прочности за­каленной стали; низкий отпуск (нагрев до температуры 250 °С) применяют для по­вышения вязкости закаленной стали при сохранении прочности.