Залізовуглецеві сплави - Промисловість, виробництво
ТЕМА: ЗАЛІЗВУГЛЕРОДИСТІ СПЛАВИ
1 Діаграма стану сплавів заліза з вуглецем
2 Виробництво чавуну
4 Виробництво сталі
5 Вуглецеві сталі
6 Леговані сталі
1 Діаграма стану сплавів заліза з вуглецем
До залізовуглецевих сплавів належать сплави заліза з вуглецем.
Для того щоб виготовити деталі, машини та механізми якісними та забезпечити надійність та довговічність їх у роботі, необхідно заздалегідь знати властивості використовуваних матеріалів. Наприклад, для отримання якісних виливків необхідно знати, за якої температури плавиться сплав і за якої він твердне, які його ливарні властивості. Для проведення термообробки деталей треба знати, як змінюються властивості сплаву при нагріванні та охолодженні у твердому стані, які при цьому будуть структура та властивості сплаву. При обробці тиском необхідно знати, при яких температурах той чи інший сплав краще обробляється тиском, має найбільш високу пластичність.
Для визначення температурних інтервалів, видів термічної обробки та обробки тиском, температури плавлення та заливання сплаву в ливарні форми користуються спеціальними графічними зображеннями стану та будови сплавів залежно від їх складу та температури нагрівання. Такі графічні зображення називають діаграмами стану сплаву.
Мал. 1. Схема побудови діаграми стану сплавів заліза з вуглецем:
Критичною називається температура, коли він відбувається зміна у будові, отже, і властивостях металів і сплавів. За критичних температур криві охолодження різко змінюють свій характер.
Критичними точками називаються точки перегину 1, 2, 3, 4 накривих охолодження (див. рис. 1). Однотипні критичні точки (наприклад, точки /) кривих охолодження з'єднують лінією (лінія АС). Комплекс ліній, що поєднують критичні точки сплавів, залежно від хімічного складу сплаву та його температури є діаграмою стану. У табл. 1 наведено критичні температури критичних точок 1, 2, 3, 4.
Структурні складові залізовуглецевих сплавів. При кристалізації залізовуглецевих сплавів утворюються такі структурні складові: аустеніт, ферит, цементит, перліт, ледебурит.
Мал. 2. Діаграма стану сплавів заліза з вуглецем: I. V1 - характерні сплави
Ферріт-твердий розчин вуглецю в а-залізі. У ферит розчиняється дуже мало вуглецю (до 0,02%). Технічне залізо має структуру фериту (на діаграмі область GPQ). Кристалічні грати фериту-об'ємно-центрований куб. Феррит має високу пластичність і низьку твердість (6 = = 40. 50 %; НВ80. 120), добре піддається обробці тиском в холодному стані (волоченню, штампуванні). Чим більше фериту в сплавах, тим вони м'якші і пластичніші. На діаграмі ферит позначається літерою Ф.
Цементит - найтвердіша (НВ800) і тендітна (6 = 0 °/о) складова залізовуглецевих сплавів - являє собою хімічну сполуку заліза та вуглецю (карбід заліза Fe3C), що містить 6,67% вуглецю. Кристалічні грати цементиту складні. Особливість цементиту полягає в тому, що в присутності значної кількості деяких елементів, наприклад, кремнію Si, цементит може взагалі не утворитися або може розпадатися з утворенням вуглецю - графіту та заліза. Сплави із чистого цементиту практично не застосовують. Чим більше цементиту в залізовуглецевих сплавах, тим вони твердіші і тендітніші.На діаграмі цементит позначається літерою Ц.
Перліт - механічна суміш фериту та цементиту, що містить 0,83% вуглецю. Перліт утворюється при перекристалізації (розпаді) аустеніту за температури 723°С (на діаграмі лінія Р/С). Розпад аустеніту на перліт називається евтектоїдним перетворенням, а перліт - зоректоїдом. Перліт присутній у всіх залізовуглецевих сплавах при температурі нижче 723°С, має високу міцність (ав до 800 МПа) і твердість (НВ200). Чим дрібніше включення фериту та цементиту в перліті, тим вищі показники його механічних властивостей. Тому чим більше перліту в сплаві, тим вищі показники механічних властивостей сплаву. На діаграмі перліт позначається літерою П.
Практичне використання діаграм станів. Залізовуглецеві сплави, що застосовуються в промисловості, містять не більше 4,5 % вуглецю. Сплави заліза з вуглецем до 2% називаються сталями, сплави заліза з вуглецем понад 2% - чавунами.
Лінія ACD - лінія ліквідус - Зображує температуру початку затвердіння сталей і чавунів. Вище цієї температури сплав повністю розплавляється, т. е. перетворюється на рідкий стан (на діаграмі позначається буквою Ж).
Лінія AECF - лінія солідус - зображує температуру закінчення затвердіння та початку плавлення сталей та білих чавунів. Між лініями ліквідус та солідус сплави знаходяться у рідко-твердому стані.
Для практичного використання діаграми простежимо за структурними перетвореннями характерних залізовуглецевих сплавів при їх охолодженні.
Сплав // (сталь містить вуглецю 0,83%) - Кристалізація йде між лініями ліквідусу АС і солідус АЕ, аналогічно кристалізації сплаву / (див. рис. 2). Аустеніт, що закристалізувався, охолоджується до точки 5. При температурі 723 С, відповідній точці S, відбуваєтьсяперекристалізація аустеніту з утворенням перліту (евтектоїдне перетворення). Сталь, що має структуру перліту, називають евтектоїдною (рис. 3, в). Будова евтектоїдної сталі при нормальних температурах пластинчаста, тобто структура сталі складається з пластинок фериту і цементиту, що чергуються.
Мал. 3. Мікроструктури типових залізовуглецевих сплавів:
а - ферит, б - доевтектоїдна сталь, в - евтектоїдна сталь, з - заевтектоїдна сталь,
д – доевтектичний білий чавун, е – евтектичний білий чавун, ж – заевтектичний білий чавун; Ф - ферит, Л - перліт, Ц1 - первинний цементит, ЦІІ - вторинний цементит,
Сплав IV (чавун містить вуглецю понад 2%). Вище лінії АС метал знаходиться в рідкому стані. Зі зниженням температури лінії АС починають кристалізуватися перші включення аустеніту. При подальшому зниженні температури кількість аустеніту, що закристалізувався, весь час збільшується. При досягненні температури 1147 ° С (на лінії EF) частина рідкого розплаву, що залишилася, моментально кристалізується з утворенням механічної суміші аустеніту і цементиту, тобто відбувається евтектична кристалізація з утворенням евтектики - ледебуриту. Починаючи з температури 1147 до 723 °С, з аустеніту виділяється вторинний цементит ЦІІ. При температурі 723 ° С відбувається евтектоїдне перетворення - з аустеніту утворюється перліт.
Сплав VI (чавун містить вуглецю понад 4,3%). При температурі вище лінії CD сплав знаходиться у рідкому стані. На лінії CD починають кристалізуватись включення цементиту, який називають первинним цементитом Ц. При зниженні температури до 1147°С кількість первинного цементиту постійно збільшується. На лінії EF при температурі 1147°С відбувається евтектична кристалізація (частина, що залишилася, рідкогорозплаву кристалізується з одночасним утворенням включень аустеніту та цементиту).