Структура металла после литья
Слои металла, непосредственно прилегающие к поверхности отливок, отличаются наибольшей плотностью и наилучшими механическими свойствами. Это объясняется тем, что кристаллизация сплава в таких слоях протекает при свободном доступе к ним компенсирующей усадку жидкости и при большем, чем во внутренних частях отливки, переохлаждении, обеспечивающем благоприятное строение сплава.
Повышенное качество металла вблизи от поверхности отливок делает нежелательным значительный объем их механической обработки, при которой глубокий слой лучшего металла переводится в стружку.
Излишняя механическая обработка увеличивает стоимость отливки и уменьшает количество полезно используемого металла, поэтому стремятся повысить точность геометрических размеров отливки и улучшить качество ее поверхности.
Формирование поверхности отливки происходит, практически, в течение всего периода пребывания металла в форме, начиная от момента заливки и кончая моментом выбивки.
К дефектам отливки, связанным с поверхностными процессами в форме, относятся следующие:
1) изолированные единичные включения формовочного материала;
2) неметаллическая корка, называемая пригаром, распространенная на большой площади и прочно связанная с отливкой.
Внедрение в отливку отдельных частиц формовочного материала (неметаллических включений экзогенного характера) является следствием одновременного действия двух неблагоприятных факторов; низкой поверхностной прочности формы и сил, способных оторвать слабо связанные с формой частицы от общей се массы. Низкая поверхностная прочность формы обычно связана нарушением установленного технологического процесса. Например, если от момента приготовления влажной разовой формы до Оливки проходит много времени, то поверхностный слой формы сыхает, что вызывает разрыв связей между поверхностными зернами песка и между наружными и внутренним слоями формы. При использовании сухих песчано-глинистых форм большое значение имеет правильный выбор режима сушки. В частности, очень быстрое охлаждение горячих (высушенных) форм (или стержней), благодаря их низкой теплопроводности, приводит к возникновению большого температурного градиента по их сечению и, в соответствии с этим, к возникновению значительных термических напряжений, вызывающих растрескивание поверхностного слоя формы. Иногда, при очень малой пористости и большом уплотнении формы, ее часть, непосредственно соприкасающаяся с металлом и поэтому быстро нагревающаяся, отслаивается в результате термического расширения.
Чтобы предупредить существенное понижение поверхностной прочности формы при изготовлении ее, хранении и использовании, стараются применять малочувствительные к неблагоприятным действиям формовочные материалы и строго соблюдать технологический процесс.
К силам, вызывающим отрыв от формы или стержня слабо связанных с ними частиц, относятся силы, возникающие при движении в форме потока металла. При конструировании формы следует избегать удара струи металла о ее стенки; струя должна поступать в рабочую полость формы по касательной к ее поверхности. Иногда в рабочую полость формы металл целесообразно подавать через несколько каналов, так как стенки единственного канала очень прогреваются, прочность его поверхности падает, и силы трения, возникающие при движении потока, смывают отдельные зерна песка.
Основным поверхностным дефектом отливок является пригар. Под пригаром понимают слой формовочного материала, сцементированный и прочно связанный с отливкой какой-либо затвердевшей жидкостью. Если цементирующей жидкостью является залитый в форму металл или сплав, то образующуюся корку называют механическим пригаром. Если эта жидкость образовалась в результате химического взаимодействия между отливкой и формой, то корку на отливке называют химическим пригаром.
Механический пригар образуется вследствие пропитывания расплавленным металлом или сплавом поверхностного слоя формы и обволакивания зерен формовочного материала. При охлаждении отливки металл затвердевает, образуя корку, в которой, как в сотах, заключены отдельные зерна или скопления зерен формовочного материала.
Механический пригар развивается, главным образом, на поверхностях крупных отливок, которые обладают достаточным запасом тепла для сильного прогрева формы и на которых в течение длительного времени не образуется поверхностной корки. Механический пригар в чистом виде встречается редко.
Химический пригар встречается чаще и, как правило, образует корки большей толщины. Металлы и сплавы, за редким исключением, не способны к непосредственным реакциям со специально подобранными для них формовочными материалами; однако избежать взаимодействия окислов этих металлов с компонентами смеси иногда не удается. Например, при литье чугуна или стали железо не реагирует с обычно применяемым кварцевым песком, в то время как закись железа может образовать с ним силикаты разного состава. В случае присутствия в песке флюсующих минералов (слюды, полевого шпата и др.), содержащих окислы щелочных или щелочно-земельных металлов, образуются силикаты сложного состава, имеющие сравнительно низкую (иногда ниже 1000° С) температуру плавления и поэтому способную пропитывать более глубокий слой формы. Процесс пропитывания заканчивается там, где движущаяся жидкость встречает слой формы, не нагретый до температуры плавления этой жидкости. Важно отметить, что движение жидкости и ее взаимодействие с формой могут продолжаться и после образования на отливке затвердевшей корки.
Флюсующие минералы очень ускоряют образование пригара, так как в более короткие сроки образуется жидкая фаза, в которой затем растворяются закись железа и компоненты смеси.
На образование пригара влияет состав газов, сосредоточивающихся у поверхности раздела металл — форма. Исследования показали, что в начале процесса газы создают окислительную среду. Затем, по мере вытеснения воздуха, выделения и разложения водяных паров, сгорания, возгонки и диссоциации органических веществ, газовая среда приобретает восстановительный характер.
Один из основных методов борьбы с пригаром — это воздействие на газовую среду формы. При литье чугуна, бронз, латуней и некоторых других сплавов в состав формовочных смесей вводят углеродистые добавки (например, молотый уголь), препятствующие окислению металла. При литье стали вводить углеродистые добавки не рекомендуют, так как растворение углерода в поверхностном слое стали понижает температуру ее плавления и облегчает пропитку формы. В этом случае форму покрывают слоем инертных и малопористых красок.
На практике разрабатывают меры, направленные не к затруднению развития пригара, а к ослаблению связи его с отливкой, т.е. к получению легкоотделимого пригара. Например, при литье стали иногда искусственно увеличивают продолжительность существования в форме окислительной атмосферы. Для этого в форму добавляют сильные окислители, например марганцевую руду, легко разлагающуюся и окисляющую поверхность отливки. В результате на границе между отливкой и формой сохраняется слой высших окислов железа, который обеспечивает легкое удаление пригара. Аналогичные результаты получаются при введении в смесь добавок, содействующих затвердеванию жидких силикатов в аморфном виде. Получающееся при этом силикатное стекло отличается хрупкостью, что также содействует легкой очистке отливок.
Литая структура стали
Все стальные изделия проходят стадию затвердевания из жидкого состояния в твердое. Даже те из них, которые изготавливались методами порошковой металлургии, так все стальные порошки также производятся из жидкого металла. Поэтому процесс затвердевания влияет на свойства всех стальных изделий.
Три фактора литой структуры
Процесс затвердевания стального слитка оказывает сильное влияние на следующие три важных фактора качества литого слитка:
- Микросегрегация легирующих элементов, карбидов и включений.
- Микроструктура (размер зерна, форма зерна и типы фаз.
- Уровень пористости в литом металле.
Для процесса литья стали является обычным сильная микросегрегация, большой размер зерен и значительная пористость. Все это ведет к снижению механических свойств стального литья. Все указанные выше три свойства литого металла значительно улучшаются путем интенсивной горячей пластической обработки, такой, как ковка или прокатка. Поэтому стальной прокат и стальные поковки обычно имеют более высокие механические свойства, чем литая сталь.
Фронт затвердевания
Когда материал затвердевает из жидкой фазы, возникает твердый фронт, которые продвигается в жидкость. Форма этого твердого фронта играет важную роль в контролировании трех важнейших факторов качества стального слитка, указанных выше.
Процесс затвердевания слитка в изложнице схематически показан на рисунке 1. Слева показана изложница, которую наполнили жидкой сталью и позволили ей охлаждаться. На рисунке показан момент, когда твердый фронт прошел внутрь около трети всего пути к центру слитка. Поскольку тепло отбирается и ото дна, и от стенок изложницы, твердый фронт растет примерно одинаково как от дна, так и от стенок изложницы. Поскольку твердая фаза является более плотной, чем жидкая, происходит усадка затвердевшей стали. Это приводит к уменьшению высоты слитка по мере продвижения фронта затвердевания к центру изложницы.
Рисунок 1 – Фронт затвердевания в стальном слитке
Дендриды в стали
Справа рисунка 1 показаны выноски сечения фронта затвердевания. Можно было бы ожидать, что форма фронта затвердевания является плоской, как это показано на выноске А рисунка 1. Для очень чистых металлов это, в принципе, верно, а для сталей и практически всех металлических сплавов – нет. Фронт затвердевания на самом деле состоит из множества малых ветвистых структур, которые, как многие считают, выглядят как сосны, врастающие в жидкость. При этом их ветви растут перпендикулярно стволу, как это показано на выноске B рисунка 1. Каждая такая маленькая древообразная структура называется «дендридом», что по-гречески означает «дерево». Если бы жидкий метал был прозрачным, то вид при взгляде перпендикулярно фронту затвердевания, был бы таким как это показано на выноске С. Это вид был бы похож на тот, который видят пролетая над плантацией сосен. Однако, конечно, отдельные дендриды очень маленькие и чтобы их увидеть, нужна, как минимум, увеличительная лупа.
Междендридное расстояние
Междендридное расстояние – расстояние между дендридами — зависит от того, как быстро двигается фронт затвердевания. А скорость его продвижения зависит от того, как быстро отбирается тепло от жидкого металла. На рисунке 2 расстояние междендридное расстояние – расстояние между главными стволами — обозначено латинской буквой d. В больших стальных слитках, которых охлаждаются медленно, междендритное расстояние может составлят 1 мм (1000 мкм). При непрерывной разливке стали, когда тепло отнимается весьма интенсивно, междендритное расстояние в стали составляет около 300 мкм. При сварке стали, когда возникает малая жидкая ванна жидкой стали, охлаждение происходит еще быстрее. Поэтому междендридное расстояние в этом случае может быть около 100 мкм.
Рисунок 2- Три железных дендрида, растущие вертикально в жидкость в ходе затвердевания
Дендридные стволы
Диаметр главных дендридных стволов меньше расстояния между ними приблизительно в десять раз. Диаметр человеческого волоса составляет примерно 50 мкм. Поэтому большинство дендридов имеют стволы размером, который равен или даже меньше человеческого волоса. Эти крошечные дендриды играют огромную роль для первого и третьего факторов качества стальных слитков – микросегрегации и пористости, но почти не влияют на второй фактор – микроструктуру стали.
Структура отливок, получаемых в раекаленных, особенно с огнеупорным наполнителем, формах, характеризуется обычно четкой первичной структурой. Так как условия охлаждения металла этих отливок менее благоприятны по сравнению с металлом отливок, изготовляемых в песчано-глинистых формах, то получение мелкозернистой структуры затруднительно. Величина кристаллов в соответствии с закономерностями кристаллизации зависит прежде всего от скорости охлаждения и от кристаллизационной способности сплава. Чем быстрее отвод теплоты, тем больше количество одновременно растущих кристаллических зерен.
Малая теплопроводность керамической формы, нагретой до температуры 900—1000 °С, приводит к тому, что структура медленно охлаждаемого сплава будет относительно грубозернистой.
Применяемые особые способы охлаждения отливок после их затвердевания и выделяющиеся в этот период очень мелкие структурные составляющие не изменяют существенно структуру сплава. Механические свойства стали прежде всего зависят от зернистости структуры и ее гомогенности. Литую структуру и механические свойства литых материалов ухудшают микрораковины, сетки карбидов, дендриты, усадочные раковины, поверхностные пороки и обезуглероживание поверхности.
Для получения более высоких механических свойств литых материалов, заливаемых в раскаленные керамические формы, применяют оболочковые формы, заливаемые без опорного наполнителя, т. е. без засыпки. Это приводит к частичному увеличению скорости охлаждения. Оболочки, залитые металлом, охлаждают в специальном туннеле или переставляют с отжигательных тележек на холодный песчаный плац.
Керамические оболочковые формы следует изготовлять из огнеупорных материалов с низким коэффициентом теплового расширения, у которых не происходит объемных изменений, связанных с аллотропическими превращениями при температурах обжига. Такие формы можно заливать жидким металлом без их подогрева. Мелкозернистую первичную структуру получают повышением кристаллизационной способности сплава. Для этого в сплав вводят элементы, которые образуют центры кристаллизации, или эти элементы вводят в материал формы и они переходят в металл при их заливке. В обоих случаях в металл попадает большое количество мелких частиц, не растворяющихся при данной температуре сплавов. Такими элементами являются главным образом титан, ванадий, молибден и др. Хороших результатов при измельчении структуры литых аустенитных жаропрочных сплавов типа Nimonic достигают присадкой окислов кобальта в первый слой суспензии при ее нанесении на модельный блок. Другим способом измельчения зерна является применение вибрации при затвердевании отливок.
Все способы измельчения зерна следует применять осторожно, так как можно снизить жидкотекучесть сплава, и, следовательно, отливки будут со спаями или с пористостью.
Грубое первичное зерно, которое нельзя устранить никакой дополнительной термообработкой, влияет на вторичную структуру, которую имеет отливка после термообработки. Такая «наследственность» является причиной ухудшения механических свойств.
Мелкозернистая структура снижает также появление трещин, вызванных появлением напряжений, и улучшает стабильность размеров отливок.
Малая скорость охлаждения должна бы иметь благоприятное влияние на химическую гомогенность структуры, хотя и очень незаметное. При селективном (выборочном) затвердевании структура частично гетерогенна, что подтверждается дендритообразным строением металла в литом состоянии и после термической обработки. Химическая гетерогенность отрицательно воздействует на термообработку сталей. В разных местах зерен концентрация углерода неодинакова, и вследствие этого они имеют разные критические температуры закалки. Гетерогенная структура ухудшает механические свойства стали, хотя и несколько улучшенные термообработкой.
Главные цели термообработки стальных отливок:
1) исправление грубой литой структуры, которая часто бывает видманштеттовой. Эта структура нежелательна, так как снижает эксплуатационные свойства стали;
2) уменьшение различия в химическом составе, вызванного дендритной и полосчатой ликвацией (при этом улучшается гомогенность материала во всех сечениях отливки);
3) устранение внутренних напряжений;
4) получение необходимой структуры.
Структура металла после литья
Отливки по чертежам → Общие сведения о литье металлов
Компонентами в сплавах железа с углеродом являются металл железо и неметалл - углерод.
Железо (Fe) имеет температуру плавления 1539°C. В твердом состоянии испытывает два полиморфных превращения. Важнейшее из них – превращение при 911°C. Ниже этой температуры железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) с параметром a = 0,286 нм. Это α-железо (Feα). Выше 911°C существует γ-железо (Feγ) с гране-центрированной кубической решеткой (ГЦК) и параметром a = 0,364 нм.
α-железо ферромагнитно, а высокотемпературная модификация Feγ парамагнитна, что позволяет легко обнаруживать тот и другой вид решетки магнитными методами. Высокотемпературное превращение γ-железа в δ-железо с ОЦК решеткой меньше влияет на структуру и свойства сплавов.
Обозначение β-железо присвоено парамагнитному железу с ОЦК решеткой, которое существует от точки Кюри (768°C) до 911°C.
Углерод (C) при нормальных условиях существует в виде графита с гексагональной слоистой кристаллической решеткой. Углерод не плавится при нагреве, а переходит в газовую фазу при температуре 3800°C. Он мягкий, непрочный, хорошо проводит электричество.
Модификация алмаза с решеткой, где каждый атом имеет четыре равноудаленных соседа, стабильна только при высоких давлениях и температурах. В сплавах с железом алмазная решетка углерода не встречается.
Рисунок 1. Диаграмма Железо - Углерод
Сплавы железа с углеродом разделяют на две большие группы: стали и чугуны.
Границей между этими двумя группами сплавов является точка E диаграммы, с содержанием углерода 2,14 % – предел растворимости углерода в железе. Но и задолго до появления точных методов анализа, и вообще материаловедения как науки, мастера плавильного и кузнечного дела прекрасно отличали сталь от чугуна, получали их и обрабатывали. Эти сплавы имеют совершенно разные технологические свойства: сталь можно ковать, прокатывать, вытягивать в тонкую проволоку, с чугуном же это проделать не удастся, он разрушается от ударных и растягивающих нагрузок. Зато чугун является одним из лучших литейных сплавов, позволяя получать тонкостенные фасонные отливки.
Эта разница в свойствах становится понятна, если проанализировать диаграмму состояния железо – углерод. Все стали (сплавы, содержащие менее 2 % углерода) при нагреве становятся однофазными. Фаза эта – аустенит, твердый раствор на базе железа с ГЦК решеткой. Металлы с таким типом решетки наиболее пластичны. Поэтому сталь – сплав деформируемый.
Чугун же до самой температуры плавления остается двухфазным, и одна из этих фаз – твердый хрупкий цементит, который не позволяет деформировать материал. Но чугуны кристаллизуются в относительно узком интервале температур, заканчивается кристаллизация образованием эвтектики при постоянной температуре. Это значит, что такие сплавы должны иметь хорошие литейные свойства (высокую жидкотекучесть, малую усадку) и не образовывать литейных дефектов. Поэтому чугуны – сплавы литейные.
Надо еще отметить, что фазовые превращения в твердом состоянии позволяют упрочнять сталь термической обработкой. Для чугуна термообработка неэффективна, так как эвтектика – ледебурит – остается неизменной до температуры плавления.
Литейное производство — процесс получения литых заготовок, называемых отливками, путем заливки расплавленного металла в рабочую палость литейной формы. Литьем называют продукцию литейного производства, художественные изделия и изделия народных промыслов, полученные с помощью литья.
Способы получения отливок разнообразны, однако сущность их едина. Она заключается в том, что жидкий сплав заливают в подготовленную литейную форму, внутренняя рабочая полость которой имеет очертание детали. После затвердевания сплав сохраняет конфигурацию рабочей полости формы, образуя отливку. Далее отливка в форме остывает до определенной температуры, после чего ее извлекают из литейной формы. При этом форму либо разрушают (разовая форма), либо разбирают на части (многократная форма). Затем отливку подвергают отделочным операциям и передают как заготовку в механический цех. В ряде случаев точными способами литья получают готовую литую деталь, для которой механическая обработка практически не применяется.
Способы литья:
Литьё в песчано-глинистые смеси (литье в землю);
Литье в оболочковые формы (литье в холодно-твердеющие смеси - ХТС);
Литье по выплавляемым моделям;
Литьё по газифицируемым моделям;
Литьё под давлением;
Литьё в кокиль;
Центробежное литье.
Различные сплавы имеют разные литейные свойства, которые характеризуются следующими параметрами:
Жидкотекучесть - это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять её полости и чётко воспроизводить контуры отливки.
Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т. д. Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектоидные сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твёрдые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме; с повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет её лучше, чем металлическую форму. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей - магниевые сплавы.
Усадка - свойство литейных сплавов уменьшать объём при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают объёмную и линейную усадку, выражаемую в относительных единицах.
Линейная усадка - уменьшение линейных размеров отливки при её охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды.
На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Усадку алюминиевых сплавов уменьшаем повышение содержания кремния. Усадку отливок уменьшает снижение температуры заливки. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.
При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение усадки. Механическое торможение возникает вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совместному воздействию механического и термического торможения.
Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9-1,3%, для высокопрочного чугуна до 1,7%, для углеродистых сталей 2-2,4%, для алюминиевых сплавов 0,9-1,5%, для медных 1,4-2,3%.
Объёмная усадка - уменьшение объёма сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки.
Объемная усадка распределяется между объемом концентрированной усадочной раковины и объемом усадочной пористости. Чем больше эффективная часть температурного интервала кристаллизации тем большая доля объемной усадки проявляется в виде усадочных пор. В сплавах, кристаллизирующихся при постоянной температуре (чистые металлы, сплавы эвтектического состава), усадочная пористость практически не образуется.
Заполняемость - способность металлов и сплавов воспроизводить контур отливок в особо тонких сечениях, где в значительной степени проявляется действие капиллярных сил. Заполнение тонких сечений отливок - это процесс взаимодействия металла и формы, иногда этот процесс называют формовоспроизведением или формозаполнением. При заполнении каналов с малой площадью поперечного сечения, потоку производится преодолеть значительное давление, обусловленное действием капиллярных сил. При незначительном удалении таких элементов от оси вращения необходима большая скорость вращения центробежного стола.
Трещиностойкость - способность металлов и сплавов к релаксации (ослаблению, уменьшению) напряжений, возникающих в отливке при затвердевании и охлаждении, в результате усадки, фазовых превращений или температурного перепада. В практике литья обычно различают два вида трещин - горячие и холодные. Это деление весьма условно. Считается, что горячие трещины образуются в области, близкой к температуре солидус. По внешнему виду эти трещины отличаются окисленной поверхностью, в особенности - на стальных отливках. Холодные трещины, в отличие от горячих, имеют поверхность и образуются в области упругих деформаций при температуре, которая значительно ниже температуры окончания кристаллизации.
Свариваемость. От свариваемости сплавов зависит качество исправления дефектов отливок и надежность соединения литых деталей методом сварки. Для художественных отливок это свойство имеет большое значение. Особенно важно обеспечить надежное соединение крупных элементов скульптур.
В литейной практике свариваемость обычно оценивают по склонности к образованию сварочных трещин и по разупрочнению околошовной зоны. Трещин в зоне сварного шва могут появиться при его остывании в результате возникновения больших термических напряжений. Свариваемость оценивают также, сопоставляя свойства шва и околошовной зоны со свойствами основного металла.
На аллотропных превращениях сплавов основана термическая обработка металлов. Термической обработкой металлов называется процесс, состоящий из нагрева металла до определенной температуры, выдержки при этой температуре и охлаждении с определенной скоростью. Температуры нагрева берут с диаграмм состояния сплавов. Термическая обработка стали основана на свойстве железа изменять строение кристаллической решетки при изменении температуры, а также различной растворимости углерода в кристаллических решетках разного строения. Существуют различные виды термической обработки: закалка, отпуск, отжиг, нормализация, цементация.
Закалка стали – это процесс нагрева до температуры Тз=Ткр+(30…50°С), выдержки и резкого охлаждения стали от температуры 723-910°С до нормальной. Закалке могут быть подвергнуты лишь стали, содержащие свыше 0,25% углерода. При резком охлаждении стали в воде при температуре 723°С произойдет перекристаллизация гранецентрированной кристаллической решетки железа в объемно-центрированную, но структура перлита не образуется, т.к. атомы углерода, из-за быстрого повышения вязкости стали, не успевают выделяться из кристаллической решетки. Полученный пересыщенный раствор углерода в объемно-центрированной кристаллической решетке называется мартенситом. Эта структура неустойчивая, неравновесная, т.к. углерод стремится выделиться из кристаллической решетки и деформирует решетку, повышая при этом прочность и твердость стали и одновременно снижая ее пластичность и ударную вязкость.
Сталь, закаленная в воде (на мартенсит), обладает твердостью НВ=450-560 при нулевой ударной вязкости. Закалку на мартенсит производят для повышения твердости стали, применяемой в измерительных и режущих инструментах.
При медленном охлаждении стали от состояния аустенита, после перекристаллизации атомы углерода успевают выделиться из объемно-центрированной кристаллической решетки железа и образовать цементит с размером зерен 10-7-10-8см. Смесь феррита с зернами цементита размером 10-7-10-8см называется троститом. Сталь со структурой тростита имеет твердость НВ=250-450. Сталь, закаленную на тростит, применяют для режущих и ударных инструментов.
Отпуск заключается в нагреве предварительно закаленной на мартенсит стали до определенной температуры, выдерживании при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. В результате отпуска сталь приобретает более высокую пластичность и ударную вязкость, чем сталь с той же структурой, полученной закалкой. Различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск производят нагревом закаленной на мартенсит стали до 180-250°С. При таком нагреве в стали, без изменения ее структуры, исчезают напряжения, возникшие при закалке на мартенсит. Отпуск, не снижая твердости, повышает ударную вязкость стали.
Средний отпуск осуществляются нагревом закаленной на мартенсит стали до температуры 250-400°С. В результате нагрева вязкость стали повышается, и избыточный углерод выделяется из объемно-центрированной кристаллической решетки железа. Происходит распад мартенсита. Сталь приобретает структуру тростита со всеми характерными для него свойствами. Особенностью структуры тростита, полученного в результате отпуска, является форма цементита в виде шаров-глобул. Сталь, в структуре которой цементит имеет глобулярную форму, обладает более высокой ударной вязкостью и пластичностью, чем сталь с цементитом, имеющим пластинчатую форму, которая образуется при закалке и медленном охлаждении стали.
Высокий отпуск заключается в нагреве закаленной на мартенсит стали до температуры 500-650°С. Образующиеся при этом зерна цементита размером 10-5-10-4см имеют форму глобул.
Полученная структура стали сорбита – отпуска обладает более высокой прочностью, твердостью и пластичностью, чем сталь, полученная при медленном охлаждении после плавки или проката. Поэтому высокий отпуск называют иногда улучшением стали и применяют при термическом упрочнении арматурной стали.
Отжиг заключается в нагреве стали до температуры, на 500°С выше 724-910°С, с последующим медленным охлаждением в печах. Существует отжиг на равновесное состояние, на мелкое зерно и т.д. Отжиг на равновесное состояние заключается в следующем: сталь с неравновесной структурой, полученной при закалке или отпуске, нагревают до температуры выше 724-910°С и затем медленно охлаждают. Все свойства, полученные сталью при закалке или отпуске, после отжига снимаются. Отжиг на мелкое зерно заключается в следующем. Структура стали, полученной литьем или после горячей обработки, например ковки, имеет крупнозернистую структуру, которая характеризуется пониженными механическими свойствами. При нагреве стали с крупным зерном до температуры 724-910°С и последующим медленным охлаждением происходит размельчение зерна.
Нормализация заключается в охлаждении стали от температуры 710-723°С на воздухе. Строительная сталь после нормализации обладает большей прочностью и ударной вязкостью, чем при медленном охлаждении. Это объясняется тем, что по границам зерен феррита не образуются сетки из хрупкого цементита.
Азотирование - насыщение поверхностного слоя стали азотом и последующая закалка стали на температуру 400-630°С, благодаря чему повышается коррозионная стойкость стали.
Цианирование – насыщение поверхности стали раствором цианистых солей до температуры 950°С.
Нитроцементация - химико-термическая обработка, заключающаяся в одновременном насыщении поверхностных слоев стальных изделий углеродом и азотом в газовой среде, совмещает процессы газовой цементации и азотирования.
Старение проявляется в изменении ее свойств во времени без заметного изменения микроструктуры. Повышаются прочность, порога хладноломкости, снижается пластичность и ударная вязкость. Различают два вида старения – термическое и деформационное.
Термическое протекает в результате изменения растворимости углерода и азота в зависимости от температуры.
Деформационное протекает после пластической деформации при температуре ниже порога рекристаллизации.
Читайте также: