Матеріалознавство та основи технології виробництва споживчих товарів

Відсутність у структурі сплавів (з вмістом вуглецю менше 2,14%) крихкої  евтектики робить сплави ковкими  і пластичними, що є характерною  особливістю сталей. У той же час наявність легкоплавкого ледебуриту в структурі сплавів (з вмістом вуглецю вище 2,14 %) збільшує ливарні якості цих сплавів.

Відповідно до діаграми Fe–Fе₃С залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю менше 2,14% називаються сталями, сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 % - чавунами. Чавуни, що кристалізуються відповідно до діаграми Fe–Fе₃С, відрізняються високою крихкістю. Колір їх злому сріблясто-білий. Такі чавуни називаються білими (на відміну від сірих, ковких і високоміцних чавунів, у структурі яких вуглець в основному знаходиться у вигляді графітової фази).

За кількістю вуглецю і за структурою сталі поділяються на: доевтектоїдні (0,02% < С < 0,8%), структура перліт + ферит (П + Ф); евтектоїдні (С = 0,8%), структура перліт (П); заевтектоїдні (0,8 % < С < 2,14%), структура перліт + вторинний цементит (П+Ц_ІІ). Типові структури сталей наведені на рис. 3 а...е.

За кількістю вуглецю і за структурою білі чавуни поділяються на доевтектичні (2,14% < С < 4,3%), структура ледебурит + перліт +  + вторинний цементит (П + Л + Ц_ІІ); евтектичні (С = 4,3%), структура ледебурит (Л); заевтектичні (4,3% < С < 6,67%), структура ледебурит + + цементит (Л + Ц_І). Типові структури білих чавунів наведені на рис. 4 а, б, в.

Рис. 4. Мікроструктури білих чавунів: а - С = 3,2% - доевтектичний білий чавун; структура Л + П + Ц; б — структура - ледебурит Л; в - С = 5% - заевтектичний білий чавун, структура Л + Ц_І; (´250)

Структура чавунів залежить від  ступеня графітизації, тобто від  того, яка кількість вуглецю, що входить  до складу чувуну, знаходиться в хімічно зв’язаному стані (С_зв, %) у вигляді цементиту. Крім білих чавунів, за цією ознакою ще розрізняють:

половинчасті чавуни: С_зв > 0,8%; структура чавуну - перліт + + ледебурит + графіт (П + Л + Г);

перлітні сірі чавуни: С_зв = 0,8%; структура – перліт + графіт (П + + Г);

феритно-перлітні сірі чавуни: 0,8% > С_зв > 0,02 %; структура - перліт + ферит + графіт (П + Ф + Г);

феритові сірі чавуни: С_зв = 0%; структура - ферит + графіт (Ф + Г).

4. Вплив термічної та хіміко-термічної обробки на властивості та структуру сталей

Термічною обробкою називають процес, що складається з нагріву металу до відповідної температури, витримки його при цій температурі і охолодження з певною швидкістю. При термічній обробці змінюється структура сталі, що веде до зміни її властивостей. Таким чином, шляхом термічної обробки сталі одного и того ж складу можна змінювати її властивості.

Термічна обробка сталі грунтується  на здатності заліза змінювати будову кристалічної решітки при зміні температури, а також на різній розчинності вуглецю в кристалічних решітках різної будови.

Існують такі види термічної обробки: гартування, відпуск, відпал, нормалізація і хіміко-термічна обробка (цементація, азотування, ціанування).

Найбільші структурні перетворення сталі відбуваються при гартуванні. Від усіх інших видів термічної обробки гартування відрізняється високою швидкістю охолодження. Залежно від швидкості охолодження загартована сталь має різну структуру: сорбітну, троститну або мартенситну.

Сорбітна структура складається з суміші фериту і цементиту високого ступеня дисперсності, що приводить до підвищення  твердості й крихкості сталі. Під мікроскопом сорбітна структура має вид феритно-цементитної структури, одначе розмір зерен в ній значно менший.

Трооститна структура cкладається також із суміші фериту й цементиту високого ступеня дисперсності. У металографічному мікроскопі трооститна структура проявляється у вигляді дуже темних ділянок. Сталь трооститної структури значно твердіша і більш крихка, ніж сорбітна.

Мартенситна структура сталі значно відрізняється від сорбітної й трооститної структур. Мартенсит є перенасиченим твердим розчином вуглецю в a-залізі. Його кристалічна решітка має значні зміни, що обумовлюють найвищу твердість і крихкість сталі. Під мікроскопом загартована на мартенсит сталь має голчасту структуру.

Цементація (вид хіміко-термічної обробки) полягає в навуглецьовуванні поверхні конструкційної сталі. Завдяки цьому твердість і зносостійкість поверхневого шару деталей значно підвищується. Структура поверхневого шару навуглецьованої сталі набуває структуру перліту, пронизаного тонкими голками вторинного цементиту (під мікроскопом – суцільні сірі ділянки з хаотично розташованими голками цементиту).

Термічна обробка — це штучна теплова дія, що складається з нагрівання та охолодження сталі з метою зміни структури і властивостей металу. Процес термообробки включає нагрівання або охолодження металу до необхідних температур, витримування за цієї температури та охолодження або нагрівання до кімнатної температури. Завдяки цьому досягають підвищення міцності, твердості, стійкості до спрацювання та оброблюваності сталі.

У залізовуглецевих сплавах під  час нагрівання та охолодження відбуваються фазові і структурні перетворення. В процесі нагрівання сталі до температури на 30...50 °С вище критичних точок Ас₁ чи Ас₃ відбувається перекристалізація — перехід перліту в аустеніт. Витримка сталі за цих температур унаслідок дифузії сприяє одержанню однорідного складу — аустеніту, охолодження сталі сприяє перетворенню аустеніту в метастабільні структури. Причому повільне охолодження надає сталі м'якості, пластичності, а швидке охолодження сприяє утворенню твердих і міцних структур.

Широко застосовують зміцнювальну і знеміцнювальну термічні обробки  деталей. Зміцнювальна термічна обробка призначена для формування властивостей деталей з підвищенням міцності в 2...3 рази, що дає змогу знизити витрати металу. Знеміцнювальна термічна обробка дає змогу поліпшити властивості металів і полегшити наступні види обробки деталей, що веде до ефективнішої механічної обробки.

Класифікація видів термічної  обробки враховує фазові та структурні перетворення, що відбуваються в металі в процесі нагрівання та охолодження, і ділить їх на власне термічну, хіміко-термічну та термомеханічну обробку. Кожен із вказаних видів має кілька різновидів. Перший вид — це обробка, в результаті якої змінюються структура та фізико-механічні властивості. До неї належать відпал І і II роду, нормалізація, гартування, відпускання та старіння. Другий вид — це обробка, в результаті якої відбувається насичення поверхні деталі речовинами, що підвищують твердість, стійкість до спрацювання, корозії тощо. Це — цементація, азотування, ціанування, дифузійна металізація. Третій вид поєднує пластичну деформацію з термічною обробкою.

Широке застосування під час  виготовлення деталей мають знеміцнювальні види термічної обробки. До них належить відпал — це нагрівання до критичної  температури, витримка та повільне охолодження. Під час повільного охолодження деталі стають більш м'якими, пластичними, але міцність у них невелика.

Відпалювання виконують для  усунення внутрішніх напружень, які виникають у процесі обробки прокатуванням, куванням, литтям; внутрішньої структурної неоднорідності; ліквації в деталях-виливках; зниження твердості та підвищення в'язкості; покращання оброблюваності; зміни будь-яких властивостей, наприклад, магнітних у трансформаторних сталей. Відпал, який засновано на процесах повернення рекристалізації та гомогенізації, називають відпалом І роду. Він має такі різновиди: дифузійний (гомогенізуючий), низькотемпературний рекристалізаційний і зменшуючий напруження. Відпал, коли метали та сплави набувають фазових перетворень, тобто звичайної перекристалізації, називають відпалом II роду. Відпал II роду може мати такі різновиди: повний, неповний відпал на зернистий цементит, ізотермічний тощо.

Дифузійний відпал — це нагрівання сталі вище критичної точки Ас₃ (1050...1150 °С), тривала витримка (10... 15 год) і охолодження в печі до температури 200...250 °С, а потім на повітрі. Його використовують для усунення хімічної неоднорідності (ліквації легованої сталі) та тієї, що виникає в процесі кристалізації дендритної ліквації. Рекристалізаційний відпал — вид термічної обробки, що відновлює первинні властивості деформованого металу під час холодної обробки тиском. Таким способом усувають зміцнення (наклеп). Його використовують для зниження твердості та підвищення пластичності холоднооб-робленої чи штампованої сталі.

Найбільш загальним є відпал, який зменшує напруження, тому його застосовують для обробки деталей, що одержали внутрішні напруження. Його використовують для зменшення або зняття залишкових напружень, що виникають під час обробки тиском, литтям, зварюванням, термічною обробкою, шліфуванням, різанням.

Особливістю відпалу II роду є використання фазових перетворень у твердому стані. Доцільність застосування визначається впливом зміни структури металу на його властивості. Повний відпал застосовують для створення дрібнозернистої структури, зменшення твердості та підвищення пластичності і в'язкості, покращання оброблюваності різанням, усунення смугастої структури, зняттям внутрішніх напружень. Для повного відпалу нагрівають доевтектоїдну сталь до температури на 20...50 °С вище від критичної точки Ас₃, витримують за цієї температури та послідовно поступово охолоджують до температури, нижчої за інтервал критичних точок. Інколи відпал виконують у контрольному захисному середовищі для обмеження вигоряння вуглецю та окислення сталі. Такий відпал називають світлим.

Неповний відпал застосовують для  покращання оброблюваності деталі різанням чи холодною обробкою. Застосовують його замість повного відпалу для пом'якшення заевтектоїдної інструментальної сталі, зняття залишкових напружень, створення дрібнозернистої структури перед обробкою різанням. Неповний відпал полягає в нагріванні сталі до температури, вищої на 20...50 °С за критичну точку Ас, витримуванні за цієї температури та повільному охолодженні разом з піччю.

Відпал на зернистий цементит застосовують для зниження твердості та покращання оброблюваності інструментальних і підшипникових сталей. Він полягає в нагріванні сталі до температури, дещо вищої за критичну точку Ас₁, тривалому витримуванні, повільному охолодженні до 650 °С з наступним охолодженням на повітрі.

Ізотермічний відпал застосовують для покращання оброблюваності різанням легованої сталі, скорочення тривалості відпалювання та усунення внутрішніх напружень. Технологія такого відпалу складається з нагрівання сталі до температури, дещо вищої за критичну точку Ас₃ чи Ас₁, витримуванні та швидкому охолодженні до температури, дещо нижчої за критичну точку Ас₁, ізотермічного витримування, достатнього для перетворення аустеніту на перліт, і охолодження на повітрі.

Більш доцільним видом обробки  є нормалізація, яку застосовують з тією метою, що й відпал. Обробка нормалізацією відрізняється від відпалювання тим, що охолодження після нагрівання виконують на повітрі, внаслідок чого збільшується коефіцієнт використання печей і підвищується економічність такого прискореного відпалу.

Для підвищення твердості, міцності та стійкості до спрацювання деталей  використовують зміцнюючий спосіб термічної  обробки — гартування. Гартування характеризується нагріванням доевтектоїдних сталей до температури, вищої за критичну точку Ас₃, або евтектоїдних і заевтектоїдних сталей вище Ас₁ на5 20...30 °С, витримуванням і охолодженням зі швидкістю, більшою за критичну. Під час термічної обробки сталі застосовують гартування в одному охолоджувачі, переривчасте в двох, ступінчасте, ізотермічне, з самовідпусканням тощо.

Охолодження стальних деталей є  найвідповідальнішою операцією  гартування. Швидкість охолодження  повинна забезпечити утворення  потрібної структури відповідно до технічних умов. Під час гартування зовнішня поверхня деталі охолоджується швидше за серцевину, тому в деталях з більшою товщиною серцевина може залишитися незагартованою. Завдяки цьому для характеристики глибини загартованого шару вводиться поняття прогарто-ваність сталі. Глибину гартування вимірюють від поверхні деталі до шару з напівмартенситною структурою (50 % мартенситу на 50 % трооститу).

Характеристика прогартованості  сталі є важливим показником вибору сталі. Якісним показником прогартованості сталі є критичний діаметр — діаметр зразка, коли він загартовується повністю. Наприклад, для сталі 40 критичний діаметр під час охолодження у воді становить 10 мм, в маслі — 8 мм. На прогартованість впливають швидкість охолодження та хімічний склад сталі. Леговані сталі характеризуються більш високою прогартованістю, ніж вуглецеві.

Особливий інтерес викликають швидкорізальні сталі, які загартовуються в процесі  охолодження в маслі, в гарячих  середовищах або у випадку  невеликих перетинів інструмента, на повітрі. Для одержання якісного інструменту з швидкорізальних сталей після гартування їх піддають багаторазовому відпусканню.

Важливе значення для гартування має  вибір температури нагрівання та способу охолодження. Вид гартування залежить від сталі, форми та розмірів деталі. Для гартування простих за формою деталей із вуглецевих сталей застосовують гартування у воді або маслі. Гартування здійснюють занурюванням нагрітої деталі з середньо-вуглецевої сталі у воду, а із високовуглецевої та спеціальної сталей — у масло до повного охолодження.

У випадку переривчастого гартування деталь занурюють у воду, що забезпечує більш високу швидкість охолодження, а потім переносять у менш інтенсивний охолоджувач — масло або повітря. Гартування цим способом застосовують під час виготовлення інструментів з високо-вуглецевих і спеціальних сталей. Незручність полягає в складності визначення часу витримування в першому охолоджувачі. Струменеве гартування застосовують для виготовлення деталей з високою твердістю та найбільшою глибиною гартування, а також для гартування ділянок деталі.