Матеріалознавство та основи технології виробництва споживчих товарів

Для гартування тонких деталей з  вуглецевих сталей застосовують ступінчасте  гартування — цей спосіб забезпечує найменші внутрішні напруження. Гартування виконують у двох охолоджувачах: спочатку деталь швидко охолоджують у соляній ванні з температурою, вищою за точку мартенситного перетворення (240...250 °С), потім витримують до вирівнювання температур по всьому перетину деталі з наступним охолодженням її на повітрі або в маслі до кімнатної температури.

Ізотермічне гартування виконують  так, як ступінчасте, але деталі охолоджують у рідкій солі з температурою, вищою за початок мартенситного перетворення, що становить 300...400 °С, і витримують до повного розпаду аустеніту. Внаслідок гартування з аустеніту утворюється нестійка метастабільна структура — мартенсит. Тому під гартуванням розуміють процес термічної обробки сталі, який полягає в мартенситному перетворенні високотемпературної фази. Таку обробку називають гартуванням на мартенсит. Перетворення аустеніту на мартенсит відбувається миттєво, бездифузійним шляхом. Миттєве перетворення всередині кристала аустеніту викликає зміну кристалічної решітки, що супроводжується збільшенням об'єму сталі. Гартування викликає збільшення внутрішніх напружень, які можуть перейти границю міцності сталі. Внаслідок цього інколи відразу після гартування або через деякий час утворюються тріщини. Позитивними заходами для пом'якшення впливу гартування та усунення внутрішніх напружень є відпускання сталі. Після такого виду термічної обробки мартенсит загартованої сталі переходить у структуру мартенситу відпускання, трооститу відпускання або сорбіту відпускання.

Гартування з самовідпусканням застосовують під час термічної  обробки інструментів. Деталі охолоджують  до температури, достатньої для здійснення відпускання. Відпусканням усувають надмірну крихкість загартованої сталі та одержують структуру, найстійкішу за звичайної температури, з найкращими механічними властивостями. Відпускання полягає у тому, що загартовані деталі нагрівають до температури, нижчої за межу структурних перетворень (727 °С), витримують і потім охолоджують з довільною швидкістю.

Загартування з самовідпусканням застосовують для обробки слюсарного інструменту, який сприймає удари в  процесі різання металу — зубил, молотків, ковальського інструменту, умови роботи якого вимагають, щоб серцевина була м'якшою за зовнішні шари, а твердість знижувалась поступово від зовнішньої поверхні до середини. Гартування з самовідпусканням виконують в такій послідовності: нагрівання деталі до температури гартування, охолодження у воді до стану, коли в деталі ще буде тепло, потрібне для відпускання, виймання деталі з охолоджуючого середовища, зачищення поверхні деталі, витримування на повітрі до появи на зачищеній поверхні необхідного кольору мінливості, занурювання деталі в воду до повного охолодження.

Залежно від температури та структури  металу, що утворилася, розрізняють низьке, середнє та високе відпускання. Низьке відпускання здійснюється нагріванням до 150...250 °С і охолодженням з будь-якою швидкістю. Цей вид відпускання застосовують для виготовлення різноманітного різального та вимірювального інструменту. Середнє відпускання здійснюється нагріванням до 300...450 °С, коли мартенсит перетворюється в троостит. Середнє відпускання застосовують для виготовлення пружин, ресор тощо. Високе відпускання здійснюється нагріванням до 500...650 °С, коли мартенсит перетворюється на сорбіт. При цьому одержують однорідну структуру. Деякі сталі охолоджують у воді або в маслі. Високе відпускання застосовують для конструкційних сталей, щоб вони були міцними, пластичними, з ударною в'язкістю.

Старінням металів і сплавів  називають процеси, які протікають довільно, тобто без взаємодії  зовнішнього середовища, з бігом часу і ведуть до зміни властивостей. Розрізняють термічні та деформаційні види старіння. Перший вид протікає в загартованому сплаві внаслідок зміни розчинності вуглецю в а-залізі, коли розчинність знижується залежно від температури. Деформаційне старіння може проявлятися в сплавах, які раніше пластично деформувалися за температури, нижчої за рекристалізаційну. В сплавах на залізній основі та в багатьох сплавах кольорових металів унаслідок старіння відбувається зміцнення загартованих алюмінієвих сплавів, зниження в'язкості низьковуглецевої сталі, зміна розмірів загартованих стальних деталей, магнітних властивостей стальних магнітів і т. д.

 

 

 

 

 

5. Класифікація чавунів та сталей. Характеристика видів та маркування

 

До чорних металів належать: технічне залізо, чавун, сталь, хром, марганець.

Чавун — це сплав заліза з вуглецем (вміст його становить понад 2 % за масою) та іншими елементами.

До складу чавуну входить  також кремній (Si) — від 0,5 до 3,6% і  марганець (Мп) — від 0,5 до 1,5%; фосфор (Р) — 0,2% і сірка (S) — 0,1—0,2%. Кремній сприяє графітизації (виділенню графіту), марганець перешкоджає графітизації, але знешкоджує сірку, яка робить чавун крихким і є шкідливою домішкою. Фосфор поліпшує рідиннотекучість і в розмірі 1% не знижує механічних властивостей.

Вуглець у складі чавуну може перебувати у вигляді хімічної сполуки з залізом — карбідом заліза, може бути у вільному стані, тобто у вигляді графіту, і може бути частково у вільному, частково у сполученому стані.

На властивості чавуну значною мірою впливає кількісне  співвідношення вмісту зв'язаного і вільного вуглецю, а також форма графітових включень.

Чавун, в якому весь вуглець  перебуває у зв'язаному із залізом  стані у вигляді БезС (карбід заліза), називається білим чавуном (за білим  кольором зламу). Він не містить видимих  під мікроскопом включень графіту. Білий чавун дуже твердий (НВ 450—550) і крихкий, погано піддається технологічній обробці і тому має обмежене використання. Він, в основному, переробляється в сталь. Для поліпшення експлуатаційних характеристик (підвищення зносостійкості, жаростійкості, корозієстійкості) до складу чавуну вводять леговані елементи: нікель, хром, вольфрам, алюміній і т. ін. Білі леговані чавуни дуже міцні, зносостійкі, жаростійкі, тому з них виготовляють гальмові колодки, ножі екскаваторних ковшів, деталі дробарок, котлів і т. ін.

Графітизовані чавуни —  це чавуни, які мають видимі під  мікроскопом включення графіту в структурі після ствердіння та в результаті накладення зовнішніх дій (термічних, силових та інших) у твердому стані.

До числа графітизованих чавунів належать: чавун з пластинчастим графітом, чавун з вермикулярним графітом, чавун з кулястим графітом, ковкий чавун, половинчастий чавун (з двох складових: «білої» (ледебуритно-карбідно-перлітної) та «сірої» (перлітно-феритно-графітної)).

У доменному виробництві виплавляють 3 види чавунів — переробний, ливарний і спеціальний (феросплави).

Переробний чавун відповідно до ДСТУ 3133-95 призначений для сталеплавильного виробництва, виготовляють марок ПІ і П2; для ливарного виробництва  — марок ПЛІ, ПЛ2, ПЛЗ; фосфористий — марок ПФ1, ПФ2, ПФЗ; високоякісний — марок ПВК1, ПВК2, ПВКЗ.

Ливарний чавун використовується для виробництва машинобудівних ливарних чавунів в чавуноливарних виробництвах.

Для самостійного використання з нього одержують ливарні  деталі для різноманітних механізмів і машин ливарними методами.

Переваги чавуну полягають  у високих ливарних властивостях і невеликій ціні (у порівнянні зі сталлю). Температура розплав-лення  чавуну на 300—-400°С нижча, ніж у сталі, що скорочує процес ливарництва.

Чавуни за рахунок вмісту графіту добре обробляються різанням, а також утворюється більш чиста поверхня готових виробів, ніж при обробці сталі.

Чавун має високу твердість  і низьку пластичність, він крихкий, тому його неможливо піддавати пластичній деформації. Через низьку пластичність і високий вміст вуглецю чавун погано зварюється. Хімічні властивості його низькі, він піддається всім видам іржавіння.

Ливарний чавун менш крихкий, добре обробляється різанням через  високий вміст кремнію, який сприяє графітизації, має добрі антифрикційні властивості, великий опір стисненню, достатньо високу міцність при розтягненні, згинанні, різанні, стискуванні.

Використовується в машинобудуванні  як найбільш дешевий спосіб виготовлення деталей.

Маркується літерою Л  і числами, які показують вміст кремнію. Випускають сім марок ливарного чавуну: ЛІ; Л2; ЛЗ; Л4; Л5; Л6; Л7. Чим вище число, тим менший вміст кремнію (ЛІ — 3,6% Si; Л7 —0,8% Si).

Залежно від вмісту марганцю, фосфору, сірки ливарний чавун ділиться на чотири групи (І, II, III, IV), п'ять класів (А, Б, В, Г, Д) і чотири категорії (І, II, III, IV).

Машинобудівні чавуни. За формою графітових включень машинобудівні ливарні чавуни діляться на:

• сірі чавуни — форма  графітових включень у вигляді пластин;

• високоміцні — включення  графіту кулеподібної форми;

• ковкі чавуни — включення  графіту вермикулярної форми.

Держстандарт установлює 8 марок сірого чавуну: СЧ-10; СЧ-15; СЧ-20; СЧ-25; СЧ-30; СЧ-35; СЧ-40; СЧ-45. Принципи маркування сірого чавуну: СЧ — сірий чавун (його назва за сірим кольором зламу). Число показує середню величину тимчасового опору розриву: σ_в = 100 МПа або 10 кгс/мм². Твердість цих чавунів НВ = 143...255; δ = 0,2—0,5 %. Хімічний склад: С = 3,2 - 3,5%; Si = 1,9— 2,5%; Мn = 0,5—0,8 %; Р = 0,1—0,3%; S ≤ 0,125%.

Регулюванням сумарного вмісту вуглецю і кремнію в розплавленому чавуні, а також швидкістю охолодження в формі, можна одержати виливки з різноманітною структурою.

Сірі чавуни ідеальні ливарні сплави з невисокою  температурою плавлення 1100°С і при твердінні не дають усадочності. Вони дешевші, ніж сталь, а виливки з них менше жолобляться і утворюють тріщини, мають більш чисту поверхню, тому що менше взаємодіють з піщаною формою. Виливки більш тонкостінні, ніж виливки зі сталі, що призводить до менших витрат металу.

Марки СЧ10 —  СЧ20 використовуються для одержання  виливок, які менше навантажуються, це кришки, фланці, маховики.

Чим вища марка, тим надійніші виливки щодо несучої  спроможності.

Основними складовими структур, які визначають їх властивості, крім графіту, є ферит, цементит, перліт.

Високоміцний  чавун, що має кулясту форму графіту, одержують обробкою розплавленого чавуну різноманітними модифікаторами (магній, церій, марганець).

Хімічний склад: С = 2,7—3,6%; 5/ = 1,9—2,8%; Мn =0,2—0,9; Р = 0,1%; S = 0,1%; Сr = 0,15%.

Високоміцний  чавун у 3 рази міцніший, ніж сірий, відзначається пластичністю, добре обробляється різальним інструментом, має добрі ливарні властивості.

Марка чавуну визначається його тимчасовим опором розриву під  час розтягання, умовною границею плинності та відносним видовженням.

Умовне позначення марки чавуну з кулястим графітом містить літери ВЧ: В — високоміцний, Ч — чавун), цифрове позначення мінімального значення тимчасового  опору під час розтягання, в  МПа, та через дефіс — мінімального значення відносного видовження, у відсотках.

Приклад умовного позначення марки чавуну з кулястим графітом з мінімальним значенням тимчасового опору під час розриву 500 МПа та мінімальним відносним подовженням 2%: ВЧ 500-2 ДСТУ 3925-99. Виготовляється всього 12 марок такого чавуну (див. табл. 3.1).

Механічні властивості  чавуну повинні відповідати вимогам, зазначеним у табл. 1.

 

Таблиця 1

Механічні властивості  високоміцного чавуну (згідно ДСТУ 3925-99)

 

Ударна в'язкість  чавуну за температурою випробувань +20°С КСU, кДж/м² — 190.

Використовується  для виготовлення високонавантажувальних деталей: колінчатих валів вагою  від кількох кілограмів до 2—З тонн, деталей турбін, прокатних валиків, шпинделів, супортів, шаботів ковочних молотів і т. ін.

Чавун з вермикулярною формою графіту по міцності перевершує сірі і має більш високу пластичність

Хімічний склад: С = 3,1—3,5%; Si = 2,0—2,8%; Мn = 0,6—1,2%; Р = 0,05—0,08%; S = 0,02%; Сr = 0,1—0,3%; Mg = 0,012—0,028%; Са = 0,01—0,06%; рідкоземельні = 0,03—0,12%.

Марка чавуну визначається його тимчасовим опором розриву під час розтягнення, умовною границею плинності та відносним видовженням.

Приклад умовного позначення марки чавуну з вермикулярним  графітом з тимчасовим опором розриву  під час розтягнення 300 МПа та відносним видовженням 4%: ЧВГ 300-4 ДСТУ 3926-99.

Механічні властивості  чавуну повинні відповідати вимогам, які наведені у табл. 2.

Таблиця 2

Механічні властивості  чавуну з вермикулярним графітом

 

Із ковких чавунів виготовляють корпуси повітряного інструменту, кронштейни, гальмові колодки, кратери і редуктори (використовуються в автотракторобудуванні), фітинги. Виливки із ковкого чавуну мають властивості, близькі до стальних виливок.

Ковкий чавун одержують  внаслідок спеціального тривалого  високотемпературного відпалу вихідної литої заготовки із білого чавуну.

Точність чавунних виливок  характеризується трьома класами (припущеннями відхилень від розмірів) І, П, Ш; але І — найбільш точний.

Марку на виливці проставляють на поверхні, яка не підлягає обробці. Маркування може бути у вигляді виливки, карбування, нанесення фарби.

Спеціальні чавуни або  феросплави. їх використовують при  виплавці сталі як спеціальні домішки для її розкислювання (відбору кисню з розплавленої сталі) і легування. Це сплави заліза з кремнієм (Fe =18—50%, Si = 60—95%, С = 2—2,5%) і марганцем, а також хромом (феромарганець, ферохром, феросиліцій, фероси-лікомарганець і т. ін.).

Феросилікомарганець - сплав, основою якого є залізо та марганець із масовою часткою від 10 до 35% та фосфор, сірка і вуглець з обмеженими верхніми значеннями масових часток, одержаний способом відновлення оксидних матеріалів. Випускається таких марок: МнС 25, МнС 22, МнС 17, МнС 12, де літери Мн - означають марганець, С — кремній, наступні за ними цифри - середню масову частку кремнію в цілих одиницях. Частка марганцю не менше 60—65%, вуглецю від 0,5—3,5%.

 

Класифікація вуглецевих сталей

Вуглецеві сталі  класифікують за структурою, способом виробництва і розкислення, за якістю.

За структурою розрізняють: доевтектоїдну сталь, що містить до 0,8 % С, структура якої складається із фериту і перліту; евтектоїдну, що містить біля 0,8 % С, структура якої складається тільки з перліту; заевтектоїдну, що містить 0,8—2,14 %С, структура якої складається із зерен перліту, навколо яких розміщена сітка цементиту.

За способом виробництва розрізняють сталі, що виплавляються в електропечах, мартенівських печах і киснево-конверторним способом.