Твердые растворы. Термообработка сталей 60 и Х12Ф1. Структура и свойства латуни Л68

9

Вариант 2

Твердые растворы. Опишите виды твердых растворов, приведите примеры. Дайте общую характеристику их свойств, используйте закономерности Курнакова.

В жидком состоянии большинство металлических сплавов, применяемых в технике, представляет собой однородные жидкости, т. е. жидкие растворы. При переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность сохраняется, следовательно, сохраняется и растворимость. Твердая фаза, образующаяся в результате кристаллизации такого сплава, называется твердым раствором.

Химический или спектральный анализ показывает в твердых растворах наличие двух элементов или более, тогда как по данным металлографического анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна. Рентгеновский анализ обнаруживает и твердом растворе, как и у чистого металла, только один тип решетки.

Следовательно, в отличие от механической смеси твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.

Строение твердых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решетку основного металла-растворителя входят атомы растворенного вещества. Здесь возможны два принципиально различных случая.

1. Твердые растворы замещения. Металл А имеет, например, решетку, изображенную на рис. 1, а. Растворение компонента В в металле А происходит путем частичного замещения атомов А атомами В в решетке основного металла (рис. 1, б).

2. Твердые растворы внедрения. Атомы растворенного вещества С располагаются между атомами А, как это схематически показано на рис. 81, в.

При образовании растворов внедрения и замещения, - атомы растворенного компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно.

Рис 1. Кристаллическая решетка о.ц.к.:

а - чистый металл; б - твердый раствор замещения;

в - твердый раствор внедрения

При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из элементов и этот элемент называется растворителем. Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя.

При образовании твердых растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарная ячейка решетки увеличивается, если меньше, то сокращается. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента, выраженной в атомных процентах; однако отклонения от линейной зависимости бывают иногда довольно значительными.

Рис. 2. Кривая частоты

Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов -- весьма важный момент, определяющий изменение свойств. В общем независимо от вида металла относительное упрочнение при образовании твердого раствора пропорционально относительному изменению параметра решетки, причем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем ее расширение.

Рис. 3. Параметр твердых растворов (замещения), образующихся при растворении различных элементов в алюминии (а), меди (б) и железе (в)

На рис. 3 показано, как изменяется параметр решетки твердых растворов на основе важнейших технических металлов (алюминия, меди, железа).

При образовании твердых растворов внедрения периоды решетки увеличиваются, так как размеры атомов (вернее, ионов) растворенного элемента больше размеров тех межатомных промежутков, в которых они располагаются, так что атомы решетки растворителя несколько раздвигаются.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В. Следовательно, если увеличивается концентрация атомов В, то все больше и больше атомов В будет находиться в узлах решетки вместо атомов А до тех пор, пока все атомы А не будут заменены атомами В и, таким образом, как бы плавно совершится переход от металла А к металлу В (рис. 4). Это, конечно, возможно при условии, если оба металла имеют одинаковую кристаллическую структуру, т. е. оба компонента являются изоморфными.

Следовательно, первым условием образования неограниченного ряда твердых растворов является наличие у обоих компонентов одинаковых кристаллических решеток, т. е. условие изоморфности компонентов.

Если у двух металлов с одинаковыми кристаллическими решетками сильно различаются атомные радиусы, то образование твердых растворов между этими металлами сильно искажает кристаллическую решетку, что приводит к накоплению в решетке упругой энергии. Когда это искажение достигает определенной величины, кристаллическая решетка становится неустойчивой и наступает предел растворимости.

Рис. 4. Кристаллические решетки твердого раствора замещения при неограниченной растворимости компонентов

Итак, вторым условием образования неограниченных твердых растворов является достаточно малое различие атомных размеров компонентов.

Наконец, замечено, что неограниченная растворимость наблюдается преимущественно у элементов, близко расположенных друг от друга в периодической таблице Д.И. Менделеева, т. е. близких друг к другу по строению валентной оболочки атомов, по физической природе.

Если сплавляемые металлы принадлежат к далеко расположенным друг от друга группам периодической системы и поэтому имеют различную физическую природу, то они часто бывают склонны к образованию химических соединений, а не твердых растворов.

Очевидно, что при образовании твердых растворов на базе химического соединения формула химического соединения уже не отвечает действительному соотношению атомов в соединении.

Для химического соединения, которое растворяет в себе посторонние атомы, принята такая система обозначения.

Например, борид железа (Fe4B2) способен растворить хром и углерод, причем хром заменяет в узлах решетки железо, а углерод- бор. Отношение (Fe+Cr)/(B-}-C)=⁴/2 сохраняется, и такой раствор на базе химического соединения Fe₄B₂ обозначается через (Fe, Cr)₄(B, С)г.

Иногда допускается упрощение обозначений - буквой М обозначаются металлы, а буквой X - неметаллы. Следовательно, твердый раствор на основе борида железа обозначается через М₄Х₂.

Образование твердых растворов на базе химических соединений может сопровождаться не только заменой одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и тем, что отдельные узлы в решетке оказываются не занятыми атомами («пустыми»).

Так, например, соединение СоА1 может кристаллизоваться с избытком кобальта и алюминия по сравнению со стехиометрическим соотношением Со: А1 = 1 :1; в последнем случае избыток алюминиевых атомов получился потому, что не все места в кристаллической решетке, где должны быть атомы кобальта, ими заняты. Получаются в кристаллической решетке «дыры», «пустоты».

Твердые растворы на базе химических соединений, образование которых сопровождается появлением пустых мест в узлах решетки, называются растворами вычитания.

Если два металла не отвечают перечисленным выше условиям, то они могут ограниченно растворяться друг в друге. Замечено, что растворимость тем меньше, чем больше различие в размерах атомов и в свойствах компонентов, образующих раствор. Ограниченная растворимость в большинстве случаев уменьшается с понижением температуры.

Условимся в дальнейшем твердые растворы обозначать символом А (В), где А - растворитель (металл, решетка которого сохранилась в твердом растворе), а В - растворимый элемент. Для неограниченных твердых растворов обозначения - (В) и В (А) однозначны, но для ограниченных твердых растворов раствор А (В) есть раствор В в А, а раствор В (А) - раствор А в В; у первого раствора решетка А, а у второго В, т. е. эти растворы существенно различны. Рассмотрим, при каких условиях образуются твердые растворы внедрения.

Так как в твердых растворах этого рода атомы В должны внедряться в решетку А, то очевидно, что диаметр атома В должен быть невелик, а внутри решетки металла А должно иметься достаточное пространство для атома В. Действительно, металлы образуют твердые растворы внедрения с элементами I и II периодов, т. е. с элементами, имеющими малые атомные размеры (Н, N, С, О, В).

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях. Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковые кристаллические решетки и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Такая диаграмма (рис. 1) имеет простой вид и состоит из двух линий-ликвидус и солидус, пересекающихся между собой в точках кристаллизации чистых компонентов А и В. Все сплавы затвердевают в некотором интервале температур (С = 1). Диаграммы такого типа имеют системы Ni-Cu, Ag-Au, Mo-V, Mo-W и др.

Рис. 5. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях

Рассмотрим затвердевание одного из сплавов этой системы состава х_с (см. рис. 5). Жидкий раствор при температуре t₁ начинает кристаллизоваться. Можно предполагать, что состав выпадающих кристаллов должен быть того же состава, как жидкость. Однако из жидкого раствора состава х_с при температуре t₁ начинают выпадать кристаллы, сильно обогащенные более тугоплавким компонентом В. При дальнейшем охлаждении до температуры t₂ в равновесии с жидкостью состава х_а, обогащенной компонентом А, будут находиться кристаллы твердого раствора состава х_ь. При медленном охлаждении, а это необходимое условие для получения равновесных состояний, компонент А из жидкости диффундирует в кристаллы состава х_е, и они изменяют состав до х_ь. К концу затвердевания при температуре t₃ все кристаллы будут иметь одинаковый состав х_с.

На диаграмме утолщенными линиями показано, как изменяется состав жидкого и твердого растворов в процессе кристаллизации от температуры t₁ до t₃. В процессе кристаллизации изменяется не только состав фаз, но и количественное соотношение жидкой и твердой фаз.

После окончания кристаллизации должна наблюдаться однофазная структура.

Если процесс кристаллизации протекает в условиях ускоренного охлаждения, что обычно имеет место при получении литых деталей и слитков, то диффузионное выравнивание состава у кристаллов, выпавших при температурах выше t₃, не успевает происходить, в результате чего получается неодинаковый состав не только у отдельных кристаллов, а в каждом из них. Внутренние участки кристалла будут более богаты тугоплавким компонентом В, а наружные компонентом А. Это явление неоднородности химического состава носит название микроликвации. Первые кристаллы поверхности слитка будут обогащены компонентом В, а последние, образовавшиеся в середине слитка, компонентом А. В результате этого возникает макроликвация в слитке.

Ликвация чаще всего играет отрицательную роль и особенно в тех случаях, когда вредные примеси распределяются неравномерно. Повышенное содержание вредных примесей может привести к преждевременному разрушению деталей.

Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется при помощи двух простых правил.

Ранее указывалось, что химический состав выделяющихся кристаллов по мере снижения температуры изменяется по линии солидус от х_е до х_с (см. рис. 5). В это же время состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус от х_с до x_f. Это дает основание сформулировать правило определения состава фаз (правило концентраций). Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку (см. рис. 5), характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения (а и b) на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз (х_а и х_b).

Правило определения количественного соотношения фаз (правило отрезков-правило Курнакова). Через данную точку с проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии (коноды) между точкой с и точками а и b, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз:

Ж_а/а_ь = bс/ас.

Эти правила справедливы для любой двухфазной области диаграммы состояния и не имеют смысла в однофазной области. Используя эти два правила и привлекая еще дополнительно правило фаз, можно «прочитать» любую сложную диаграмму, состоящую из большого числа ветвей и областей.

Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите фазовые и структурные превращения в сплаве, содержащем 6,3% углерода, при охлаждении из жидкого состояния. Постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз Гиббса) для этого сплава. Укажите структуру сплава при комнатной температуре, его называние. По правилу Курнакова определите количественное соотношение фаз в сплаве при температуре 800°С.

Диаграмма состояния железо - цементит(карбид железа)

В современной диаграмме состояния даны две линии равновесия системы. Сплошной линией показана диаграмма состояния для практического равновесия системы железо - цементит, или метастабильная диаграмма (рис. 6, а). Ввиду того, что возможен процесс распада Fe₃C и система Fe - Fe₃C не является теоретически полностью равновесной, ее и называют метастабильной. Пунктирной линией нанесена диаграмма состояния для равновесия системы железо - графит, или стабильная диаграмма (рис. 6, а).

Считается, что углерод может выделяться в виде цементита и графита в зависимости от скорости охлаждения и химического состава.

По оси абсцисс диаграммы отложено содержание от 0 до 6,67% С, по оси ординат - температура от 0 до 1600°.

Рассмотрим диаграмму состояния системы железо - цементит, которая имеет большое практическое значение: ею пользуются для назначения режимов термической обработки сталей и чугуна и определения температурных пределов обработки давлением.

Линию ACD диаграммы (рис. 6, а) называют линией ликвидуса; выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии. Когда температура сплава соответствует линии АС, начинается процесс кристаллизации из жидкого сплава аустенита, а на линии CD - цементита.

Так как цементит выделяется непосредственно из жидкого сплава в процессе первичной кристаллизации, то его называют первичным цементитом.

При понижении температуры сплава ниже линии ACD кристаллизация его продолжается с постепенным увеличением количества твердых кристаллов за счет уменьшения жидкого сплава.



а) б)

Рис. 6. Диаграмма состояния железо - цементит

Линию AECF называют линией солидуса, ибо она соответствует моменту полного затвердевания сплава. В точке С при 4,3% углерода и 1130° сплав переходит в твердое кристаллическое состояние; эта точка называется эвтектической точкой, а сплав этого состава - эвтектическим.

Структура эвтектического сплава при метастабильном затвердевании - ледебурит.

Аустенит, входящий в эвтектику, имеет наибольшее содержание углерода, равное 2,0%.

Сплавы, содержащие более 2,0% углерода, называются чугунами, а содержащие менее 2,0% С - сталями.

Чугун, содержащий ровно 4,3% углерода, называют эвтектическим, менее 4,3% углерода -доэвтектическим, а содержащий более 4,3% углерода - заэвтектическим.

В зоне II диаграммы сплав состоит из кристаллов аустенита и жидкого сплава; обе фазы переменного состава в зависимости от температуры.

Содержание углерода в кристаллах аустенита определяется линией АЕ, а в жидкой части сплава - линией АС. В зоне III диаграммы сплав состоит из цементита и жидкого сплава.

Содержание углерода в жидком сплаве определяется линией CD.

При температурах, соответствующих линии GSE, начинается Процесс вторичной кристаллизации (за счет аустенита), т. ё. процесс кристаллизации из твердого раствора.

В зоне IV стали имеют структуру аустенита. При этом ветвь GS называется линией А₃; она показывает температуры начала выделения феррита из аустенита, а ветвь SE, называемая линией А₃, показывает выделение вторичного цементита из аустенита. В зоне VIII стали имеют две структурные составляющие - феррит и аустенит. В зоне V находятся в равновесии две структурные составляющие - цементит и аустенит. В этом случае цементит выделяется из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените при понижении температуры. Этот цементит называется вторичным. Содержание углерода в аустените определяется линией SE.

При температурах, соответствующих линии PSK, завершаются процессы вторичной кристаллизации. Эта линия является эвтектоидной линией или линией А₁.

При этих температурах твердый раствор с содержанием 0,80% С распадается на механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом. Точка S называется эвтектоидной. Сталь, содержащая 0,80% С, называется эвтектоидной, менее 0,80% С - доэвтектоидной, более 0,80% С- заэвтектоидной.

В структуре доэвтектоидных сталей, кроме перлита, присутствует избыточный феррит.

Чем меньше в стали содержится углерода, тем больше будет содержаться в структуре феррита.

Доэвтектоидные стали на практике делят на три класса: мягкие стали, (содержащие до 0,4% С), средней твердости (0,4-0,6% С) и твердые стали (более 0,6% С). В доэвтектоидных сталях с увеличением содержания углерода увеличиваются твердость и прочность, а пластические свойства ухудшаются. Заэвтектоидные стали применяют главным образом как стали инструментальные, доэвтектоидные стали применяют как поделочные.

Рассмотрим структурные превращения в чугуне при его охлаждении (нагревании) ниже линии твердого состояния. В зоне VI диаграммы (доэвтектические чугуны) в равновесии находятся три структурные составляющие.

Кроме аустенита и ледебурита (продуктов первичной кристаллизации), в структуре имеется еще и вторичный цементит. По мере понижения температуры в этой зоне содержание углерода в аустените понижается за счет образования вторичного цементита. По мере охлаждения содержание углерода в структурно свободном аустените и в аустените, входящем в ледебурит, определяется линией SE.

При температуре, соответствующей линии PSK, чугун, содержащий от 2,0 до 4,3% С, будет состоять из трех структурных составляющих - цементита, ледебурита и перлита.

В зоне VII диаграммы (рис. 6,а) в равновесии находятся ледебурит и цементит (первичный).

При температуре, соответствующей линии PSK, аустенит распадается, образуя перлит. Таким образом, в зоне XI будут в равновесии структуры перлита, ледебурита и вторичного цементита.

В зоне ХII будут находиться в равновесии кристаллы ледебурита и цементита.

Чугун в зависимости от химического состава и скорости охлаждения может кристаллизоваться как по метастабильной, так и по стабильной системе.

В результате кристаллизации чугун может иметь структуру белого чугуна (перлит + цементит + ледебурит), половинчатого чугуна (перлит + ледебурит + цементит + графит), а также структуру серого чугуна, перлитного (перлит + графит), ферритно-перлитного (перлит + феррит + графит), ферритного (феррит + графит).

У заэвтектического сплава (белого чугуна) с 6,3% С кривая охлаждения (рис.6, б). Сплав начинает затвердевать при температуре в точке 1 на линии CD. Сначала из жидкого сплава выделяются кристаллы первичного цементита, вследствие чего оставшийся жидкий сплав обедняется углеродом. После достижения температуры, соответствующей точке 2 на линии СF, оставшийся жидкий сплав получает эвтектический состав(ледебурит) и затвердевает при постоянной температуре (рис. 6, б) - линия 2-2^'. В результате затвердевания такой сплав имеет структуру - первичный цементит и ледебурит. В дальнейшем при охлаждении ниже 1130° С из аустенита выделяется вторичный цементит, что вызывает очень незначительное замедление скорости охлаждения, а в точке 3 весь оставшийся аустенит превращается в перлит при постоянной температуре, что соответствует горизонтальному участку на кривой охлаждения. Образовавшаяся структура доэвтектического сплава (белого чугуна), состоящая из перлита, вторичного цементита и ледебурита (ледебурит будет состоять из перлита, цементита эвтектического и цементита вторичного), при дальнейшем охлаждении уже изменяться не будет.

Применение правила фаз Гиббса для кривой охлаждения сплава с 6,3% С .

Применение правила фаз С = К + Р - Ф.

С - число степеней свободы, - (числом степеней свободы называют число возможных изменений температуры, давления и концентрации фаз без изменения числа фаз в системе;

Ф - число фаз - (фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела);

К - число компонентов;

Р - число внешних факторов равновесия (для металлических систем Р=1).

С_1-2 =2+1-2=1, следовательно процесс протекает при изменяющейся температуре и на кривой охлаждения получаем наклонный участок 1-2;

С_2-2'=2+1-3=0, следовательно процесс протекает при постоянной температуре, и на кривой охлаждения это выражено линией 2-2^';

С_2'-3 =2+1-2=1, следовательно процесс протекает при изменяющейся температуре и на кривой охлаждения получаем наклонный участок 2^'-3;

С_3-3' =2+1-3=0, следовательно процесс протекает при постоянной температуре, и на кривой охлаждения это выражено линией 3-3^';

С_3'-4 =2+1-2=1, следовательно процесс протекает при изменяющейся температуре и на кривой охлаждения получаем наклонный участок 3^'-4.

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз (поэтому состав жидкости изменяется), и количество каждой фазы (при кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию (по правилу Курнакова),

Согласно заданию определим количество обеих фаз при температуре Т=800°С.

Проведем горизонтальную линию соответствующую температуре Т=800°С, которая называется канодой. В данном случае канодой будет являться участок а-с. Вертикальная линия, соответствующая содержиния углерода 6,3%, делит каноду на два участка а-б и б -с.

В точке б, показывающей состояние сплава, сплав состоит из цементита первичного и ледебурита.

а- б - количество цементита 2,0% (рис. 6, а);

б -с - количество ледебурита 0,4% (рис. 6, а)

Правило отрезков гласит: для того, чтобы определить весовое или объемное количество фазы {структурной составляющей), нужно разделить отрезок, противолежащий составу данной фазы на длину каноды:

вес (объем) цементита = (а- б)/(а-с)=(2/2,4)·100%=83%,

вес(объем) ледебурита = (с- б)/(а-с)=(0,4/2,4)·100%=17%, т.е. соотношение 83%/17%.

где а-с=2,4%;

а-б=2%;

б-с=0,4%.

Изделия из углеродистой стали 60 после правильно выполненной закалки и последующего отпуска имеют твердость более низкую, чем предусмотрено техническими условиями. Чем вызван этот дефект, и как можно его исправить? Используйте при ответе диаграмму состояния железо - карбид железа, опишите превращения в структуре и изменение свойств стали.

Сталь 60 - сталь углеродистая конструкционная качественная ГОСТ 1050-88

Высокоуглеродистая сталь 60 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. В улучшенном состоянии-после закалки и высокого отпуска на структуру сорбита - достигаются высокая вязкость, пластичность и, как следствие, малая чувствительность к концентраторам напряжений. При увеличении сечения деталей из-за несквозной прокаливаемости механические свойства сталей снижаются. После улучшения стали применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси и т. п.). При этом возможный размер деталей зависит от условий их работы и требований к прокаливаемости. Для деталей, работающих на растяжение, сжатие (например, шатуны), необходима однородность свойств металла по всему сечению и, как следствие, сквозная прокаливаемость.

Рис. 7. Оптимальный интервал закалочных температур углеродистой стали (содержание углерода в стали 60 0,57-0,65%)

Обычно для доэвтектоидной стали (рис. 7) она должна быть на 30 - 50° С выше Асз, а для заэвтектоидной стали - на 30 - 50° С выше Ас₁. При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше Ас₁, но ниже Ас₃ в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной, и, как правило, ее не применяют.

Режим термообработки:

- закалка Т=800-840°С, среда охлаждения - вода, масло;

- отпуск Т=550-600°С, среда охлаждения - воздух.

4. Для изготовления матриц холодной штамповки выбрана сталь Х12Ф1. Расшифруйте марку, приведите примерный химический состав, определите группу по функциональному назначению. Назначьте и обоснуйте режимы термообработки. Опишите сущность происходящих при термообработке превращений, микроструктуру и главные свойства матриц после термообработки.

Х12Ф1 - сталь штамповая ГОСТ 5950-2000 применяется для изготовления профилированных роликов сложных форм, секций кузовных штампов, накатных плашек, матриц, пуансонов вырубных просечных штампов и т. д.

Таблица 1 - Химический состав стали Х12Ф1, % ГОСТ 5950-2000

C	Cr	Si	V	Mn	S	P
1,25-1,45	11,0-12,5	0,10-0,4	0,7-0,9	0,15-0,45	<0,3	<0,3

Отжиг производится при 850-870°С получается твердость НВ 207-255 и структура - сорбитообразный перлит с карбидами.

На твердость и количество остаточного аустенита большое влияние оказывает температура закалки. Как видно из кривых, приведенных на рис. 8 для стали Х12Ф1, твердость с повышением температуры закалки сначала повышается, достигая максимума при 1050- 1075° С, а затем понижается. После закалки в масле (или на воздухе) получается структура мартенсита с карбидами и остаточным аустенитом. Чем выше температура закалки, тем больше сохраняется в стали остаточного аустенита (см. рис. 8). Это объясняется тем, что с повышением температуры закалки увеличивается растворимость в аустените карбидов хрома и аустенит получается более легированным, более устойчивым. Понижение твердости стали после закалки от температур выше 1075° С связано с наличием в стали большого количества остаточного аустенита, имеющего невысокую твердость.

Учитывая влияние температуры закалки на твердость и количество остаточного аустенита, высокохромистые стали (и, в частности, сталь Х12Ф1) термически обрабатывают по двум режимам:

1. Обработка на первичную твердость.

2. Обработка на вторичную твердость.

После термической обработки высокохромистых сталей в них сохраняется значительное количество остаточного аустенита. Удельный вес аустенита и мартенсита различен, поэтому изменением соотношений количества аустенита и количества мартенсита можно регулировать размеры обрабатываемых изделии. Такой метод обработки, особенно целесообразный для изделий, которые окончательно механически обрабатываются перед термической обработкой, называется бездеформационной закалкой, закалкой в размер, тепловой доводкой.

Бездеформационная закалка наиболее широко применяется при обработке штампов. Температура нагревания штампов выбирается такой, чтобы при закалке размер штампа получился несколько меньше исходного размера. Например, штампы из стали Х12Ф1 закаливают от 1125-1140° С с получением минусовых размеров. Охлаждение производится в масле или в соляной ванне с температурой 400-450° С, т. е. в области наиболее устойчивого аустенита, с последующим охлаждением на воздухе. Охлажденные штампы проверяют на соответствие заданным размерам и, так как размеры уменьшены, производят отпуск при 500--520° С, в результате которого за счет распада остаточного аустенита размеры штампа увеличиваются (см. фиг. 150). Если увеличение размеров после первого отпуска недостаточно, то отпуск повторяют и доводят размеры до заданных.

Рис. 8. Зависимость твердости и количества остаточного аустенита стали Х12Ф1 от температуры закалки

При обработке на первичную твердость сталь Х12Ф1 закаливают (обычно в масле) от температуры 1070-1090° С до твердости НRC 61-63. Для сохранения высокой твердости отпуск закаленной стали производится при 150-170° С. Размер инструмента при обработке по такому режиму почти не изменяется.

При обработке на вторичную твердость сталь Х12Ф1 нагревают до 1140-1160° С и охлаждают в масле или в расплавленной голи при 400-450° С, получая пониженную твердость HRC 48-54. Распад остаточного аустенита и повышение твердости до НRC 60-62 происходят при многократном отпуске (3-4 раза при 510-520° С) или обработке холодом (до --78° С) и однократном отпуске (при 510-520° С). После обработки на вторичную твердость сталь обладает красностойкостью и повышенным сопротивлением износу, но более низкими механическими свойствами по сравнению со сталью, закаленной на первичную твердость. Кроме того, при обработке на вторичную твердость возникают большие объемные изменения. После этого для улучшения механических свойств производится отпуск пои 150-75° С.

Если размер штампа после закалки получился больше исходного (после закалки от более низких температур), то производится отпуск при 300-400° С, в результате которого размер штампа уменьшается в связи с распадом мартенсита (уменьшением степе-пи его тетрагональности).

Если закалка произведена в размер, то в этом случае производится низкотемпературный отпуск при 150-170° С для снятия внутренних напряжений.

5. Для изготовления деталей методом глубокой вытяжки применяют латунь Л68. Укажите состав. Используя диаграмму медь - цинк, определите структуру сплава. Назначьте режим термообработки, применяемый между отдельными операциями вытяжки, обоснуйте его выбор. Приведите общие характеристики механических свойств сплава.

Благодаря высоким механическим и технологическим свойствам сплавы меди с цинком (латуни) являются самыми распространенными из медных сплавов.

Рис. 9. Диаграмма состояния системы медь - цинк

Латунь Л68 (б-твердый раствор цинка в меди) является наиболее распространенной из серии медноцинковых сплавов. Она обладает достаточно высокими механическими свойствами и устойчивостью в отношении общей коррозии; отлично обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии; успешно применяется для изготовления деталей холодной штамповкой и глубокой вытяжкой. Из латуни Л68 изготовляются полосы, листы, ленты, прутки, трубы, проволока, фольга и профили различных размеров. Этот сплав имеет широкое распространение во всех областях промышленности.

Химический состав и свойства латуни Л68 приведены в таблице 2.

Таблица 2-Химический состав латуни Л68,% ГОСТ 1019

Механические свойства сплава при ведены в таблице 3.

Таблица 3-Механические свойства латуни Л68



Термическая обработка латуней. В однофазных альфа-латунях нет фазовых превращений и поэтому они могут подвергаться только отжигу рекристаллизации при 600-700° С, в результате которого резко повышается пластичность. Величина зерна зависит от температуры отжига. Чем выше температура отжига, тем больше размер зерна.

Для латунных изделий, имеющих большие внутренние напряжения, характерно явление растрескивания. Чтобы избежать образования трещин в латунных изделиях, находящихся на длительном хранении, их подвергают низкотемпературному отжигу при 200-300° С.