Кристалізація металів. будова злитка

Будь-яка речовина може перебувати в одному з чотирьох агрегатних станів: твердому, рідкому, газоподібному і плазмовому. Агрегатний стан визначається енергією взаємодії атомів. Стабільним (рівноважним) при певних зовнішніх умовах є стан речовини, при якому воно має мінімум вільної енергії.

Вільна енергія – частина внутрішньої енергії речовини.

Внутрішня енергія речовини – це сума потенційної енергії (енергії взаємодії) і кінетичної енергії частинок (теплові коливання). Частина внутрішньої енергії, що вивільняється при переході речовини з одного стану в інший, називається вільною енергією.

Чим більше вивільниться вільної енергії, тим меншою енергією матиме речовина, тим стабільніше його стан. Вільну енергію можна уявити як аналог потенційної енергії (рис. 1.18). У положенні 1 кулька має максимальну потенційну енергію. Це положення не є стійким, кулька скочується в положення 2, при якому його потенційна енергія буде дорівнює 0. Речовина може перебувати в метастабільних станів (загартована сталь). Такий стан не володіє мінімумом вільної енергії, але є досить стійким (стабільним). Речовина в мета- стабільному стані може перебувати нескінченно довго за умови сталості зовнішніх факторів.

Первинна кристалізація металів і сплавів

Кристалізація – це перехід металу з рідкого стану в тверде з утворенням кристалічної будови. Це первинна кристалізація (на відміну від вторинної, коли кристали металевих фаз виділяються з твердої речовини).

Розгляд кристалізації для металів і сплавів на їх основі пов’язане з тим, що ці матеріали отримують методом лиття, тоді як багато неметалеві матеріали виробляють іншими способами. Ряд неметалічних матеріалів існує в природному вигляді (вуглець), багато хімічних сполук отримують шляхом хімічних реакцій: карбіди – карбідізаціей, нітриди – азотуванням і т.п.

Процес кристалізації (затвердіння) обумовлений прагненням системи до переходу в більш стійке термодинамічний стан.

Мал. 1.18. Прагнення системи до зменшення вільної енергії

При зміні зовнішніх умов, наприклад температури, вільна енергія системи змінюється по-різному для рідкого і твердого (кристалічного) стану (рис. 1.19). Вище температури більш стабільним є рідкий стан, так як метал в цьому стані має менший запас вільної енергії. Нижче температури меншим запасом вільної енергії має метал в твердому стані. При температурі величини вільних енергій твердого та рідкого станів рівні. Це означає, що метал може знаходитися в обох станах нескінченно довго, так як перехід з одного стану в інше не буде супроводжуватися зменшенням вільної енергії. Температура отримала назву теоретичної температури кристалізації.

Для початку кристалізації необхідно, щоб вільна енергія металу в твердому стані стала менше вільної енергії рідкого стану. Це стає можливим при охолодженні рідини нижче . Температура, при якій фактично починається процес кристалізації, називається фактичною температурою кристалізації ( ). Охолодження рідкого металу нижче теоретичної температури кристалізації називається переохолодження , а різниця між теоретичною і фактичною температурою кристалізації – ступенем переохолодження ( ):

Ступінь переохолодження залежить від швидкості охолодження рідкого металу. Зі збільшенням швидкості охолодження знижується фактична температура кристалізації і, отже, зростає ступінь переохолодження.

Процес кристалізації можна описати за допомогою кривих охолодження, побудованих в координатах “температура – час” (рис. 1.20). Охолодження в рідкому

Мал. 1.19. Зміна вільної енергії (F) в залежності від температури ( Т) рідкого (1) і твердого (2) стану речовини

стані супроводжується плавним зниженням температури (ділянка 1 кривої охолодження), при досягненні температури кристалізації на кривій охолодження з’являється горизонтальна майданчик (ділянка 2 кривої охолодження), тобто охолодження (зниження температури) зупиняється.

Це викликано тим, що відведення тепла компенсується що виділяється в процесі кристалізації прихованою теплотою кристалізації. Після повного переходу металу з рідкого стану в тверде температура знову починає плавно знижуватися (ділянка 3 кривої охолодження). Збільшення швидкості охолодження від до призводить до збільшення ступеня переохолодження (див. Рис. 1.20).

Кристалізація починається з освіти в рідкому металі центрів кристалізації і триває за рахунок зростання їх числа і розмірів (рис. 1.21).

Процес кристалізації можна охарактеризувати двома параметрами: числом центрів кристалізації (ЧЦК),

Мал. 1.20. Криві охолодження металу

Мал. 1.21. Схема процесу кристалізації

утворюються в одиницю часу в одиниці об’єму [1 см3 / с], і швидкістю росту кристалів (СК) [мм / с]. Ці параметри залежать від ступеня переохолодження, а отже, від швидкості охолодження при кристалізації металу. Відповідно до закону Таммана для кожного ступеня переохолодження зазначені параметри можуть мати лише одне значення (рис. 1.22). При теоретичної температурі кристалізації ( ) значення ЧЦК і СК рівні 0 і кристалізація відбуватися не може. При підвищенні ступеня переохолодження значення ЧЦК і СК зростають, процес кристалізації йде швидко. Це пояснюється тим, що при високих температурах, близьких до , рухливість атомів велика. При певних ступенях переохолодження значення ЧЦК і СК досягають максимуму, після чого знижуються внаслідок зменшення рухливості атомів при низьких температурах.

Розмір утворилися в процесі кристалізації зерен залежить від співвідношення величин ЧЦК і СК, тобто визначається ступенем переохолодження (швидкістю охолодження металу в процесі кристалізації). При малих ступенях переохолодження (низькій швидкості охолодження металу) утворюється мале число центрів кристалізації, які ростуть з великою швидкістю, – (див. Рис. 1.22). У цьому випадку структура металу після закінчення кристалізації буде крупнозернистою. При великих ступенях переохолодження, навпаки, ЧЦК велике, а СК мала ( ), тому структура металу виходить дрібнозернистим.

Якщо ступінь переохолодження настільки велика, що значення ЧЦК і СК близькі до нуля, кристалізації не відбувається. При цьому утворюється тверде тіло, що має не кристалічну будову з “правильним” розташуванням атомів, а аморфне – з хаотичним розташуванням атомів – “тверда рідина”. Аморфний стан характерно для неметалічних матеріалів (скла, полі-

Мал. 1.22. Залежності швидкості росту кристалів (СК) і числа центрів кристалізації (ЧЦК) від ступеня переохолодження

заходи). Для отримання аморфного стану у металевих матеріалів потрібно дуже велика швидкість охолодження – 106 . 107 ° С / с.

Модифікування

Охолодження з високою швидкістю для отримання дрібного зерна і тим самим більшої міцності металу неможливо для виливків великої маси. Подрібнення зерна з метою отримання дрібнозернистої структури, що володіє більш високими значеннями міцності і пластичності в порівнянні з крупнозернистою структурою, в цьому випадку досягається модифицированием – введенням в рідкий метал додаткових центрів кристалізації. Модифікатори вводять в рідкий метал у вигляді порошків, в невеликих кількостях, вони практично не змінюють хімічного складу сплаву. Модифікатор повинен мати той же тип кристалічної решітки, що і виплавляється метал, і близькі параметри решітки (різниця не повинна перевищувати 9%). Температура плавлення модифікатора повинна бути вище температури кристалізації, що виплавляється. Модифікаторами можуть бути метали, що утворюють при їх введенні в розплав тугоплавкі хімічні сполуки. Так, в якості модифікаторів при виплавці сталі використовують А1 (температура плавлення 660 ° С). При введенні алюмінію в розплавлену сталь відбувається реакція обміну: 2А1 + Fe2O3 = = А12O3 + 2Fe. В результаті цієї реакції утворюється оксид алюмінію – А12O3, температура плавлення якого (~ 2000 ° С) значно вища за температуру плавлення став в.

Будова металевого злитка

Будова сталевого злитка вперше (в 1878 р) описав Д. К. Чернов. Злиток має три характерні зони (рис. 1.23).

Кристалізація рідкого металу починається біля стін виливниці, охолодження досить інтенсивне, що приводить до утворення величезного числа центрів кристалізації. Через великий швидкості охолоджув

Мал. 1.23. Будова злитка (схема):

1 – зона дрібнозернистої будови; 2 – зона стовпчастих кристалів; 3 – зона великих рівноосних кристалів

ня утворилися кристали не встигають вирости, тому перша зона злитка має дрібнозернисту будову (див. рис. 1.22).

Після утворення першої зони умови кристалізації змінюються. Зниження температури охолоджуваного металу і підвищення температури стінок виливниці призводять до зменшення швидкості охолодження. Для цієї стадії кристалізації характерний спрямований відведення теплоти перпендикулярно стінок виливниці. Утворені при цьому кристалітів ростуть в напрямку відводу тепла, тобто перпендикулярно стінок виливниці, що призводить до утворення другої зони зливка – зони стовпчастих: кристалів.

Внутрішня частина виливки – третя зона – складається з великих рівноосних кристаллитов. Причини такої будови – мала швидкість охолодження і відсутність спрямованості відведення тепла.

Рідкий метал має більший обсяг, ніж твердий, тому у верхній частині злитка, яка застигає в останню чергу, утворюється усадочная раковина – порожнеча. Усадочна раковина зазвичай оточена найбільш забрудненої частиною металу. Верхню частину зливка відрізають і переплавляють, а інший метал піддають обробці тиском.

Технічна енциклопедія TechTrend

Швидкість охолодження металу при торцевої пробі не регулюється, внаслідок чого не забезпечується відповідність її результатів особливостей, що обумовлюють застосуванням різних режимів зварювання.

Структураметалу, наплив-вленног качествен шмц лектрц. Швидкість охолодження металу шва тут найбільш уповільнена.

Швидкість охолодження металу шва в часі – величина вкрай непостійна. У початковий момент, після проходження дугою досліджуваної ділянки металу, швидкістьохолодження досягає 200 – 300 С1сек, а з плином часу швидко знижується. Найбільший вплив на структуру металу шва надає швидкість охолодження в інтервалі температур найменшої стійкості аустеніту. Прийнято вважати, що вона приблизно дорівнює миттєвої швидкостіохолодження при середній температурі даного інтервалу.

Залежність між. Швидкість охолодження металу шва визначається товщиною зварюваного металу, конструкцією зварного з’єднання, режимом зварювання і початковою температурою вироби.

Швидкість охолодженняметалу шва визначається товщиною зварюваного металу, режимом зварювання п початковою температурою вироби. Зміна механічних властивостей металу шва пов’язано не тільки зі швидкістю охолодження, але п ??з пластичною деформацією, що виникає в металі під впливомзварювальних напруг і викликає помітне підвищення межі текучості. Вплив швидкості охолодження в найбільшою мірою проявляється при ду-говой зварюванні одношарових кутових твої і останнього шару багатошарових стикових п кутових швів на товстому металі при накладенніїх на холод ниє, попередньо зварені шви Метал багатошарового шва, особливо при зварюванні покритими електродами, володіє більш низькою критичною температурою переходу в крихке стан, ніж метал одношарового шва, що пов’язано в основному з подрібненням структуриметалу шва йод впливом тепла, що виділяється при накладення нін наступних шарів. Подібне термічний вплив повторного нагріву схоже з впливом, надаваним нормалізацією.

Зменшується швидкість охолодження металу після зварювання – більше аустенітуперетворюється в мартенсит при високій температурі, коли метал пластичний.

Збільшення швидкості охолодження металу циліндрів, різниці температур по товщині фланця є наслідком високої швидкості розвантаження. У цьому випадку варто сповільнити або призупинитипроцес розвантаження шляхом турбіни до нормалізації цих параметрів.

Підвищення швидкості охолодження металу шва сприяє збільшенню його міцності, однак при цьому знижуються його пластичні властивості і ударна в’язкість. Швидкість охолодження металу шва визначаєтьсятовщиною зварюваного металу, конструкцією зварного з’єднання, режимом зварювання і початковою температурою вироби.

Величина швидкості охолодження металу околошовной ділянки, визначена експериментально, склала 2 0 С /с.

Схема дендритного будови по Д. К.Чернову. Чим більше швидкість охолодження металу, тим швидше він твердне, тим більше виникає центрів кристалізації і, отже, тим меншого розміру виходять зерна. Це підтверджується на практиці – в тонких швидко охолоджується перетинах литих деталейметал має більш дрібне зерно, ніж в товстих масивних литих деталях, охолоджується повільніше.

Зміна відносних характеристик механічних властивостей металу шва в залежності від швидкості його охолодження.

Істотний вплив швидкості охолодженняметалу шва на його механічні властивості пов’язано з відомими в металознавстві особливостями розпаду переохолодженого аустспіта, з утворенням замість рівноважного перліту (містить 083% С) псевдоевтектоі-да, що має нерівноважний склад і більш дрібну структуру.Крім того, поряд зі зменшенням кількості вуглецю в псевдозвтектоіде ферит збагачується вуглецем, змінює свої властивості.

Забезпечення зменшення швидкості охолодження металу шва за допомогою закриття торців зварюваних труб дерев’яними або металевимизаглушками і установки на закінчені шви теплоізоляційних поясів з азбестових матеріалів.

Зміна відносних характеристик механічних властивостей металу шва в залежності від швидкості його охолодження. Істотний вплив швидкості охолодження металу швана його механічні властивості пов’язано з відомими в металознавстві особливостями розпаду переохолодженого аустеніту, з утворенням замість рівноважного перліту (містить 083% С) псевдоевтектоіда, що має нерівноважний склад і більш дрібну структуру. Крім того,поряд зі зменшенням кількості вуглецю в псевдоевтектоіде ферит збагачується вуглецем, стає також нерівноважним і змінює свої властивості. Подрібнюються зерна псевдоевтектоіда і фериту.

Враховуючи, що швидкість охолодження металу в процесі зварювання дорівнюєприблизно 500 град в секунду, а час проходження елементарного об’єму від точки сходу кромок до осі зварювальних валків становить 0015 – 0025 сек, перепад температур по всій довжині контакту крайок /к до становитиме 6 3 – 7 6 град, що практично можна не враховувати .

Верстат длялиття чавунних коленз. Цей шар зменшує швидкість охолодження металу в формі. Металеві форми витримують значне число заливок металу, особливо при литті із сплавів алюмінію.

Підігрів також зменшує швидкість охолодження металу в процесітермічного циклу зварювання, що запобігає перетворення аустеніту в мартенсит, яке супроводжується різким збільшенням питомої обсягу металу, що викликає появу напруг 2-го і 3-го роду.

Верстат для лиття чавунних коліна /- половинки кокіль, 2 – стрижень, 3 -літник. Цей шар зменшує швидкість охолодження металу в формі. Металеві форми витримують значне число заливок металу, особливо при литті із сплавів алюмінію.

У цих формулах іохл – швидкість охолодження металу в С /сек.

Процеси теплонасищенія вполубесконечной тілі при рухомому точковому джерелі (. 1000 кал /сек. v 0 1 см /сек 0 1 кал /см-сек – С. Зазвичай в початковій ділянці і швидкості охолодження металу більше, ніж у таких же точок в області сталого квазістаціонарного поля.

Таким чином, зі збільшеннямшвидкості охолодження металу шва замість порівняно м’яких рівноважних структур ферит-но-перлітною сталі відбувається утворення нерівноважних, дрібнодисперсних структур сорбіту, тростіта і бейнита, що призводить до помітного підвищення міцності і зменшенняпластичності металу шва. Аналогічне явище відбувається в сталях, які з метою підвищення їх міцності піддають процесу так званого термічного зміцнення.

Таким чином, зі збільшенням швидкості охолодження металу шва замість порівняно м’якихрівноважних структур феритної-перлітною сталі відбувається утворення нерівноважних, дрібнодисперсних структур сорбіту, троостита і бейнита, що призводить до помітного підвищення міцності і зменшення пластичності металу шва. Аналогічне явище відбувається в сталях,які з метою підвищення їх міцності піддаються процесу так званого термічного зміцнення.

Рассмотрім на прикладі, як впливає швидкість охолодження металу шва на його структуру, а отже і властивості.

Які розрахункові методи застосовуютьсядля визначення швидкості охолодження металу при різних температурах.

Вплив швидкості охолодження на структуру металу шва і око-лошошшй нони. На схемі рис. 153 ш значення швидкості охолодження металу шва і високотемпературного ділянки зони термічного впливу (ділянка 2 рис. 152) при евтектичних температурі, якщо чавун зварювали без попереднього підігріву. Практично при будь-якому складі чавуну в шві і ділянці 2 околошовпой зони матиме місце відбілювання. При такій швидкості охолодження в шві і на ділянці 2 околошовной зонив залежності від кількості графітізаторов може бути отриманий або білий, або сірий чавун.

Діаграма анізотермі. Застосування цієї проби – дозволяє визначити значення швидкості охолодження металу в інтервалі температур найменшою стійко сті аустеніту, вищеякої відзначається поява холодних тріщин.

Завдяки гарній захисту розплавленого металу шлаком значно зменшується швидкість охолодження металу шва, поліпшуються умови кристалізації та звільнення металу від розчинених газів і шлаків. Щільністьзварних швів, виконаних під флюсом, зна-ве більше, ніж при ручного дугового зварювання качест-венним електродом.

Унаслідок гарної захисту шлаком розплавленого металу значно зменшується швидкість охолодження металу шва, поліпшуються умови кристалізаціїі звільнення металу від розчинених газів і шлаків. Щільність зварних швів, виконаних під флюсом, значно більше, ніж при ручного дугового зварювання якісним електродом.

Освіта шва при зварюванні під флюсом. з – поздовжній розріз, б – поперечні перерізи зонзварювання в різні. Унаслідок гарної захисту шлаком розплавленого металу значно зменшується швидкість охолодження металу шва, поліпшуються умови кристалізації та звільнення металу від розчинених газів і шлаків. Щільність зварних швів, виконаних підфлюсом значно більше, ніж при ручного дугового зварювання якісним електродом.

Без застосування підігріву (- 50 С) швидкість охолодження металу шва збільшується, що сприяє подрібненню зерен. Причому вийшла структура аналогічна структурі металу шва,отриманої зварюванням при темепература 20 С. В цьому випадку утворюється найбільш мелкодисперсная структура.

Освіта шва при зварюванні під флюсом. а поздовжній розріз, 6 – поперечні перерізи АВН зварювання в різні. Унаслідок гарної захисту шлаком розплавленого металузначно зменшується швидкість охолодження металу шва, поліпшуються умови кристалізації та звільнення металу від розчинених газів і шлаків. Щільність зварних швів, виконаних під флюсом значно більше, ніж при ручного дугового зварювання якісним електродом.

Існує ряд методів, які засновані на зміні швидкості охолодження металу шва або темпу деформації в процесі зварювання. Так, швидкість охолодження збільшують, обприскуючи водою зворотний бік зварюваного жорсткого зразка. Для тієї ж мети застосовують інодіпопереднє охолодження контрольних зварюваних зразків до температур від – 70 до – 150 і навіть до – 250 С. І ці методи дозволяють лише якісно оцінити властивості металу шва.

Перша дуга виконує як би попередній підігрів, який зменшує швидкістьохолодження металу шва і околошовной зони, а друга дуга частково переплавляє перший шов і термічно обробляє його. Змінюючи зварювальний струм кожної дуги і відстань між ними, можна отримувати необхідний термічний цикл зварювання і регулювати властивості металузварного з’єднання.

Підігрів виробу перед зварюванням зменшує нерівномірність розподілу температур в зоні зварювання, зменшує швидкість охолодження металу і забезпечує зниження величини внутрішніх напружень. Температура підігріву залежить від властивостейзварюваного металу.

Зміна ефективного інтервалу кристалізації у лінійної усадки ЕЕ та показника опору утворення гарячих тріщин литок при кристалізації сплавів евтектичного типу в залежності від складу. Ступінь невідповідності сітки кордонівзерен формам первинної кристалізації залежить від складу сплаву і швидкості охолодження металу після затвердіння. В чистих металах і розчинах слабкої концентрації кордону досить рухливі і за час охолодження зварного шва випрямляються, кристаліти наближаються поформі до равноосной. У високолегованих твердих розчинах, де швидкості міграції кордонів малі, зерна литого металу мають складну, фрагментарну форму, близьку по контурах до дендрита.

Для однієї і тієї ж гартувати стали структура та властивості околошовной зонивизначаються швидкістю охолодження металу, яка має місце при зварюванні. У свою чергу, швидкість охолодження залежить від режиму зварки і від умов відведення тепла від місця зварювання.

Для однієї і тієї ж гартувати стали структура та властивості околошовной зонивизначаються швидкістю охолодження металу. У свою чергу швидкість охолодження залежить від режиму зварки і від умов відведення тепла від місця зварювання.

Зниження частоти покращує рівномірність нагріву по товщині крайок, зменшує напругу на елементах схеми і швидкістьохолодження металу в зоні шва, але призводить до зростання витрат енергії. З підвищенням товщини труби наведена енергія w0 зростає при будь-якій частоті і способі підведення струму.

Критеріями при визначенні діапазону режимів зварювання і температур попереднього підігрівуслужать допустимі максимальна і мінімальна швидкості охолодження металу околошовной зони. Максимально допустимі швидкості охолодження сталей приймаються таким чином, щоб запобігти утворенню холодних тріщин в металі околошовной зони. Величину цієїшвидкості охолодження визначають експериментальним шляхом за результатами випробувань технологічних проб або ж розрахунковим шляхом.

Величина зерен в отлівке1 залежить від температури рідкого металу при заливці в ливарні форми і від швидкості охолодження металу призатвердінні. При заливанні металу в земляну форму зерна виходять більш великими, ніж при заливці в металеву форму, так як остання краще відводить тепло від розплавленого металу і він швидше охолоджується. При значному перегріві розплавленого металу зерна виходять великими, так як перегрітий метал довше охолоджується, ніж зазвичай. У виливках з великою товщиною стінки зерна виходять більш великими, тому що такі виливки тверднуть повільніше, ніж тонкостінні.

Величина зерен в литві залежить від температури рідкого металу при заливці в ливарні форми і від швидкості охолодження металу при затвердінні. При заливанні металу в земляну форму зерна виходять більш великими, ніж при заливці в металеву форму, так як остання краще відводить тепло від розплавленого металу і він швидше охолоджується. При значному перегріві розплавленого металу зерна виходять великими, так як перегрітий метал довше охолоджується, ніж зазвичай. У виливках з великою товщиною стінки зерна виходять більш великими, тому що такі виливки тверднуть повільніше, ніж тонкостінні.

Якість зварного з’єднання при холодній зварці чавуну чавунними електродами неоднорідне, тому що важко забезпечити таку швидкість охолодження металу шва і околошовной зони, при якій не було б відбілу на всьому протязі шва. Тому в різних перетинах з’єднання виходять різні структури і твердість. Цей метод зварювання широкого застосування не має.

Однак повна графітизація відбувається лише при великому обсязі наплавленого металу і заварці великих деталей, коли швидкість охолодження металу шва відносно мала.

Збільшити стійкість зварного з’єднання проти холодних тріщин можна, змінюючи параметри режиму зварювання так, щоб зменшити швидкість охолодження металу, зменшуючи тим самим небезпеку виникнення крихкого загартованого ділянки в зоні термічного впливу.

Крайові кути при змочуванні рідини рідиною. Теплофізичні властивості шлакових систем: теплоємність, теплопровідність, ентальпія – впливають на умови формування зварного шва і швидкість охолодження металу шва.

Технологічні проби для визначення опірності зварних з’єднань утворенню холодних тріщин.

У пробі Кіровського заводу, змінюючи товщину металу в зоні виточки, а також застосовуючи додаткові підігрів або охолодження, змінюють швидкість охолодження металу при зварюванні і ступінь його підгартовування.

Схильність металу зварного з’єднання до утворення гарячих тріщин залежить від хімічного складу металу шва, форми шва і режиму зварювання, що визначає швидкість охолодження металу.

Вплив домішок і швидкості охолодження на структуру та властивості чавунів

Постійні домішки,(кремній, марганець, сірка та фосфор), а також швидкість охолодження істотно впливають на процес графітизації.

Кремній найбільше посилює графітизацію чавуну і під час первинної кристалізації, і під час розкладання цементиту. Під­вищуючи вміст кремнію, можна збільшувати кількість графіту та зменшувати кількість цементиту, наближаючись до створен­ня чавуну з феритною металевою основою. Зменшуючи частку кремнію, можна сформувати структуру чавуну з перлітною ос­новою.

Марганець протидіє графітизації, сприяючи утворенню це­ментиту. Водночас він дещо поліпшує механічні властивості відливків.

Сірка — шкідлива домішка, що погіршує механічні й ливарні властивості чавуну. Вона сильніше від марганцю протидіє графі­тизації і сприяє виділенню цементиту. Крім цього, сірка знижує рідкоплинність чавуну, збільшує усадку, підвищує схильність до утворення газових бульбашок і тріщин. З цієї причини вміст сірки в чавунах дуже обмежують.

Фосфор практично не впливає на графітизацію. Його викорис­товують у чавунах для підвищення рідкоплинності, твердості та зносостійкості. Чавуни з високою концентрацією фосфору широко використовують для художнього лиття.

З-поміж легувальних елемен­тів найпомітніший вплив на графітизацію мають мідь, нікель і хром. Мідь і нікель інтенсифікують графітизацію, а хром її по­слаблює.

Дрібні тверді частинки,зрівноважені в рідкому розчині, сприяють виділенню графіту, будучи центрами графітизації.

Збільшення швидкості охолодження гальмує виділення графіту і сприяє утворенню це­ментиту.

Крім швидкості охолодження, сильно впливають на графі­тизацію чавуну вуглець і кремній. Зі збільшенням їх сумарної частки графітизація посилюється.

Таким чином, регулюючи сумарну частку складових металу та швидкість охолодження, можна досягти бажаної струк­тури металевої основи сірого чавуну.

Сірі чавуни (з пластинчастим графітом)

В структурі цих чавунів більша частка вуглецю перебуває у вигля­ді графіту пластинчастої форми в площині шліфа. Решта вугле­цю разом із залізом утворює структуру металевої основи (фери­тну, феритно-перлітну або перлітну).

На формування структури чавуну з пластинчастим графітом впливають такі фактори, як хімічний склад, швидкість охолодження, а та­кож наявність у рідкому розчині дрібних твердих частинок. Вуглець (2,9. 3,7 %) і кремній (1,2. 2,6 %) сприяють виділен­ню графіту, а марганець (0,5. 1,1 %) і сірка (0,12. 0,15 %) — утворенню цементиту. Змінюючи сумарну масову частку вугле­цю та кремнію з одного боку і зменшуючи сумарну масову част­ку марганцю та сірки з другого, можна регулювати співвідно­шення між вільним та хімічно зв’язаним вуглецем.

Чавуни з пластинчастим графітом мають добрі ливарні влас­тивості, легко обробляються різанням, здатні гасити вібрації, що виникають в конструкціях, є найдешевшими і найпоширені­шими серед ливарних сплавів. Водночас чавуни з пластинчастим графітом відзначаються невисокою міцністю (σ_в = 100. 350 МПа) і пластичністю через особливості форми графітових вкраплень з гострими краями. Такі вкраплення можна розгля­дати як сильні внутрішні концентратори напружень або навіть як мікротріщини.

Умовне позначення маркимає літери СЧ — сірий чавун й цифри — значення мінімальної межі міцності матеріалу на розрив σ_в в 10 -1 МПа.

При виборі марки чаву­ну для конкретних умов роботи беруть до уваги як механічні так і технологічні властивості. Феритні сірі чавуни СЧ10, СЧ15, СЧ18 призначені для мало- і середньо-навантажених деталей: кри­шок, фланців, маховиків, корпусів редукторів і підшипників, су­портів, гальмівних барабанів, дисків зчеплення тощо. Ферито-перлітні сірі чавуни СЧ20, СЧ21, СЧ25 використовують для де­талей, які працюють при підвищених статичних і динамічних навантаженнях: блоків циліндрів, картерів двигунів, поршнів, станин верстатів, зубчастих коліс тощо. Перлітні сірі чавуни СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 мають найвищі механічні властивості (завдяки дрібним відокремленим графітним вкрап­ленням) і використовують для деталей, які працюють при великих навантаженнях або у важких умовах стирання: зубчасті колеса, гільзи блоків циліндрів, шпинделі, розподільчі вали і т.п. Ці чавуни мають найвищу герметичність, тому з них виготовляють також корпуси насосів і компресорів, арматуру гальмівної пневматики та гідроприводів. Для деталей, які працюють при підвищених температурах, сірі чавуни легу­ють. Жаростійкості сприяють домішки хрому та алюмінію, жа­роміцності — хрому, нікелю й молібдену. 3 ме­тою підвищення зносостійкості гільз циліндрів, розподільчих валів та інших деталей їх робочі поверхні піддають зміцнювальній термічній обробці, а також насичують азотом.

studopedia.org – Студопедия.Орг – 2014-2024 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.006 с) .