Технологические основы производства

В настоящее время выпускается большое количество формовочных машин с ручным, полуавтоматическим и автоматическим управлением. В отличие от технологии литья под давлением при изготовлении изделий методом термоформования требуется только матрица или только пуансон, что заметно облегчает и упрощает изготовление пресс-форм.

3. Диаграммы состояния сплавов. Диаграмма «железо-углерод»

Железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны - важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз. Диаграмма состояния железо - цементит представлена на рис. 1.

Рис. 1 - Диаграмма состояния железо - цементит

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо - переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления - 1539o С 5o С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911o С и 1392o С. При температуре ниже 911o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения обозначают точкой , а температуру 1392o С превращения - точкой А4.

При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше - парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности - , предел текучести - ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение - , а относительное сужение - ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами - растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления - 3500 0С, плотность - 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления - 5000 0С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения - цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe3C) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа - металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит - соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе железо - углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф) (C) - твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную - 0,02 % при температуре 727o С ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит () ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость - 130 НВ, предел прочности -) и пластичен (относительное удлинение -), магнитен до 768o С.

3. Аустенит (А) (С) - твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную - 2,14 % при температуре 1147o С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение - ), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит - характеристика дана выше.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении - вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен. 

Линия АВСD - ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD - кристаллизация цементита первичного.

Линия AHJECF - линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (). На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (), в результате чего образуется аустенит:

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

Эвтектика системы железо - цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

При температуре ниже 727o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

По линии HN начинается превращение феррита () в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита () в аустенит заканчивается.

По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

По линии МО при постоянной температуре 768o С имеют место магнитные превращения.

По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо - цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода.

Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо - цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret - остановка):

А1 - линия PSK (7270С) - превращение П А;

A2 - линия MO (7680С, т. Кюри) - магнитные превращения;

A3 - линия GOS ( переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение Ф А;

A4 - линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение ;

Acm - линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е , при охлаждении - букву r, т.е. .

Диаграмма состояния железо - углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов.

Впервые на существование в стали критических точек и на зависимость их от содержания углерода указал Дмитрий Константинович Чернов. Впоследствии свои высказывания о влиянии углерода на положение критических точек Чернов изобразил графически, воспроизведя очертание важнейших линий диаграммы железо-углерод.

Чернов определял положение критических точек на глаз, по цветам каления стали. Знаменитый французский исследователь Ф. Осмонд, воспользовавшись только что изобретённым Ле-Шателье пирометром, определил положение критических точек, описал характер микроструктурных изменений при переходе через критические точки и дал названия основных структур железоуглеродистых сплавов, употребляющихся и сейчас.

Образование твёрдых растворов при нагревании было установлено Р. Аустеном, что было доказано прямым металлографическим анализом Ле-Шателье, А.А. Байковым и Н.Т. Гудцовым.

Используя эти данные, а также разработанную теорию фазовых равновесий Д. Гиббса, голландский учёный Розебум, а также и Р. Аустен представили первый вариант диаграммы железо-углерод. Неполнота сведений, которыми располагали эти исследователи, не позволила им построить диаграмму во всех областях, отвечающих действительному фазовому равновесию. Лишь к концу XIX века немецкий учёный П. Геренс, использовавший опыт своих предшественников и новые данные по микроструктурному и термическому анализу железоуглеродистых сплавов, привёл в своей книге диаграмму железо-углерод, достаточно близко отвечающую современному варианту. Позже были внесены хоть и существенные, но не принципиальные уточнения в диаграмме железо-углерод. Дальнейшие работы по изучению диаграммы железо-углерод продолжаются и сейчас.

Диаграмма железо-углерод, как следует из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо с углеродом образует ряд химических соединений: Fe3C; Fe2C; FeC и др. и, следовательно, система железо-углерод должна быть отнесена к сложной форме диаграммы с химическими соединениями.

Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) железо-углерод - графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до цементита. Поскольку цементит фаза метастабильная, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке). Для серых чугунов и графитизированных сталей необходимо рассматривать стабильную диаграмму железо-графит (Fe-Гр), поскольку именно графит является стабильной фазой. Цементит образуется намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго. В серых чугунах графит существует обязательно. На рисунке тонкими пунктирными линиями показаны линии стабильного равновесия (то есть с участием графита), там где они отличаются от линий метастабильного равновесия (с участием цементита), а соответствующие точки обозначены штрихом. (Отметим, что обозначения фаз и точек на этой диаграмме подчиняются молчаливому международному соглашению.)

В системе железо - углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит - твердый раствор внедрения углерода в б-железе с ОЦК (объемно-центрированой кубической) решеткой.

Рис. 2 - Диаграммы состояния сплавов железо-углерод

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную - 0,02 % при температуре 727 °C (точка P). Атомы углерода располагается в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине ребер куба, а также в дефектах решетки.

При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка I)

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость - 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсуствии углерода) до 770 °C.

3. Аустенит (г) - твердый раствор внедрения углерода в г-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решеткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,8 % при температуре 727 °C (точка S), максимальную - 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200-250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.

4. Цементит (Fe3C) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Он твердый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:

- цементит первичный (выделяется из жидкости),

- цементит вторичный (выделяется из аустенита),

- цементит третичный (из феррита),

- цементит эвтектический и

- эвтектоидный цементит.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зернами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен. Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.

Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твердости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.

5. Графит - фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решеткой. Плотность графита (2,3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 - 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций. Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфероидов (высокопрочный чугун). Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности - высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и некоторых марках стали - в графитизированных сталях.

Список использованных источников

1. Бальшин М.Ю., Кипарисов С.С. Металлургия; М., 1978.

2. Воздвижинский В.М. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении / В.М. Воздвижинский, В.А. Грачёв. - М.: Машиностроение, 1984.

3. Гиригович Н.Г. Справочник по чугунному литью / Н.Г. Гиригович. - М.: Машиностроение, 1978.

4. Долотов Г. П. Печи и сушила литейного производства / Г.П. Долотов, Е.А. Кондаков. - М.: Машиностроение, 1984.

5. Елизаров Ю.Д. Материаловедение для экономистов: учебник / Ю.Д. Елизаров А.Ф. Шепелев. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2002.

6. Ефимов В.А. Специальные способы литья: справочник / В.А. Ефимов. - М.: Машиностроение, 1991.

7. Марчук Т.И. Научные основы прогрессивной технологии / Т.И. Марчук, А.Ю. Иншинский, П. Н. Федосеев. - М.: Машиностроение, 1982.

8. Машиностроительные материалы. Краткий справочник. - М.: Металлургия, 1984.

9. Матвеенко И.В. Оборудование литейных цехов / И.В. Матвеенко, В.Л. Тарский. - М.: Машиностроение, 1985.

10. Мозберг Р.К. Материаловедение / Р.К. Мозберг. - М.: Высшая школа, 1991.

11. Паршин И.П. Выбивка, очистка и обрубка отливок / И.П. Паршин, И.М. Керетин. - М.: Высшая школа, 1991.

12. Пейсахов А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник / А.М. Пейсахов, А.. Кучер. - 3-е изд. - СПб: Михайлова В.А., 2005.

13. Сафронов В.Я. Справочник по литейному оборудованию / В.Я. Сафронов. - М.: Машиностроение, 1985.

14. Степанов Ю.А. Технология литейного производства / Ю.А. Степанов, Г.Ф. Баландин, В. А. Рыбкин. - М.: Машиностроение, 1984.

15. Солнцев Ю.П. Материаловедение: учебник / Ю.П. Солнцев, С.А. Волгжанина. - М.: Академия, 2007.

16. Технология металлов и конструкционные материалы: Учебное пособие. - М.: Машиностроение, 1991.

17. Титов Н.Д., Степанов Ю.А., Технология литейного производства. М. «Машиностроение», 1974. 472 с.

18. Худокормов Д.Н. Производство отливок из чугуна / Д.Н. Худокормов. - Минск: Высшая школа. 1987.

Размещено на Allbest.ru