1.6. Кристаллизация сплавов и превращения в твердом состоянии
Процесс перехода сплава из жидкого состояния в кристаллическое и возможные превращения в твердом состоянии изучают по кривым охлаждения, построенным в координатах температура – время. Если чистые металлы кристаллизуются при одной температуре, то кристаллизация большинства сплавов происходит в интервале температур. Исключением являются некоторые сплавы, кристаллизующиеся аналогично чистым металлам при постоянной температуре.
Температура начала кристаллизации Тн соответствует началу выделения кристаллов из жидкой фазы. При этом могут образоваться кристаллы одного из компонентов, входящих в сплав, или кристаллы твердых растворов, или химических соединений. В результате состав сплава, остающегося в жидком состоянии (при постепенном уменьшении его количества) непрерывно меняется, а, следовательно, меняется и температура его затвердевания. Поскольку в процессе кристаллизации выделяется скрытая теплота, кривые охлаждения замедляют свой ход и в точке Тн происходит перегиб кривой. Есть сплавы, которые кристаллизуются в интервале температур Тн – Тк, с постепенным снижением температуры до полного затвердевания сплава (рис.а). Есть сплавы, начало кристаллизации которых протекает в интервале температур, однако часть жидкого сплава (эта часть может быть значительней предыдущей) завершает процесс кристаллизации подобно чистому металлу при одной температуре (рис.б). Есть небольшая часть сплавов, кристаллизация которых протекает при одной температуре, как в чистом металле (рис.в). Во всех случаях в точке Тк происходит окончательное затвердевание сплава, и его температура снова начинает уменьшаться по плавной кривой.
После полного затвердевания в сплавах, так же как и в чистых металлах, под действием внешних условий (температуры, давления и др.) могут происходить превращения. Это может быть связано с полиморфными или магнитными превращениями, если одному из компонентов сплава присущи такие превращения. Это может быть связано с особенностями взаимной растворимости компонентов и другими факторами. Все превращения в твердом состоянии сопровождаются тепловыми эффектами, а значит, изменением хода кривой на кривой охлаждения. Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле или сплаве, называют критической температурой (или критической точкой).
Чугун – сплав железа с углеродом, содержащий углерода более 2,14% и менее 6, 67%. 6,67 – это содержание углерода в химическом соединении Fe3C. Это карбид железа, который имеет имя собственное –цементит. Имеет сложную орторомбическую решетку
В зависимости от того, в каком виде углерод находится в чугуне, различают белые чугуны и чугуны со свободным углеродом (графитом). Белыми чугуны названы по цвету излома. В белых чугунах нет свободного углерода, весь углерод находится в связанном состоянии: в виде химического соединения Fe3C (цементита) и твердых растворах; аустените и феррите1).
Твердые растворы рассмотрены в разделе «Стали».
Чугуны - продукты доменного производства являются белыми. Они обладают высокой твердостью, износостойкостью, но высокой хрупкостью. В качестве конструкционных материалов используют чугуны с графитом. Такие чугуны можно рассматривать как композиционный материал: стальная матрица и графитовый наполнитель. В стальной основе содержание углерода не должно превышать 0,8%. В зависимости от формы графита их подразделяют на три вида.
Серые чугуны (название получили по цвету излома). Форма графита в серых чугунах пластинчатая. Получают серые чугуны посредством медленного охлаждения (быстрое охлаждение приводит к получению белого чугуна), контролируя содержание кремния, который способствует графитизации. Содержание кремния в чугуне колеблется от 0,5 до 4 – 5%. Варьируя содержанием кремния и скоростью охлаждения, можно получать чугуны с различной структурой металлической основы, которая в свою очередь влияет на механические свойства чугуна.
Обычно используют чугуны следующего химического состава, %: 3,0 – 3,7 С; 1 – 3 Si; 0,5 – 1,0 Мn, менее 0,3 Р и 0,15 S. Для улучшения свойств в чугун вводят легирующие элементы (Ni, Cr и др.). Чугуны, выплавляемые из природнолегированных руд Орско-Халиловского и Елизаветинского месторождений, содержат в %: до 3,0 Сr; 1,0 Ni; 0,2 Тi или 0,2 V.
Серый чугун маркируют буквами СЧ и двузначным числом, характеризующим величину временного сопротивления разрушению (предел прочности) при испытаниях на растяжение в кГ/мм2 (СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35). Серый чугун имеет низкие механические свойства (ударная вязкость близка к нулю). Однако серый чугун имеет ряд преимуществ. При низкой стоимости он обладает хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Включения графита делают стружку ломкой, поэтому серые чугуны хорошо обрабатываются резанием.
Благодаря смазывающему действию графита чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами. Чугун имеет высокие демпфирующие свойства: он хорошо гасит вибрации и резонансные колебания. Поэтому станины станков изготовлены из серых чугунов.
Высокопрочные чугуны. Форма графита в них шаровидная. Такая форма графита достигается модифицированием серых чугунов: введением перед разливкой специальных модификаторов: SiCa, Al, Mg, Ce в количестве до 0,5%.
Маркируют высокопрочный чугун буквами ВЧ, например, ВЧ35 (σв=35кГ/мм 2~350МПА), ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100.
Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные детали машин: зубчатые колеса, коленчатые валы.
Ковкие чугуны. Форма графита в них хлопьевидная. Название условно, пластической деформации они не подвергаются; изделия из них получают литьем. Ковкий чугун получают из белого путем специального графитизирующего отжига (томления) – нагрева до температуры 950 – 9700С в течение длительного времени (до 2-х суток), предохраняя от окисления печными газами, засыпкой песком и др. Во время такого отжига цементит - Fe3C - распадается, а появившийся свободный углерод имеет форму хлопьев. Состав ковкого чугуна довольно стабилен, %: 2,2 – 3,0 С; 0,7 – 1,5 Si ; 0,2 – 06 Мn; 0,2 Р; 0,1 S. Из-за низкого содержания углерода ковкий чугун обычно выплавляют не в вагранке, а в электропечи. После заполнения форм отливки быстро охлаждают и получают структуру белого чугуна, затем их освобождают от форм и литниковой системы и помещают в специальные печи для отжига. В зависимости от скорости последующего охлаждения получают чугун, структура металлической основы которого ферритная ( так называемый черносердечный ковкий чугун) или перлитная (светлосердечный ковкий чугун).
Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и двумя числами, первое из которых – значение предела прочности в кГ/мм2, второе – относительное удлинение в %, например ферритный ковкий чугун КЧ37-12 (σ = 37 кГ/мм 2 или 370 МПа, δ = не менее 12%), перлитный ковкий чугун КЧ65-3.
Из ковких чугунов изготавливают детали, работающие в условиях ударных и вибрационных нагрузок (картеры, редукторы, фланцы, муфты).
Углеродистая сталь – это сплав железа с углеродом, который содержит углерода более 0,02 и менее 2,14 %С (обычно не более 1,3 %). Сплав, содержащий углерода менее 0,02% называют техническим железом или армко-железо. Постоянными примесями в стали являются марганец (не более 0,7%0, кремний (не более 0,4%), сера и фосфор (не более 0,05%). Кроме углеродистых в машиностроении и строительстве широко применяют легированные стали, в состав которых для придания тех или иных свойств дополнительно вводят легирующие элементы: хром, никель, марганец, молибден, вольфрам и другие.
Исходными металлическими материалами для получения стали служат передельный чугун, стальной лом и ферросплавы. Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода и постоянных примесей, что достигается окислением этих элементов и их удалением во время плавки в специальных плавильных агрегатах. В настоящее время сталь производят в плавильных агрегатах трех типов - конвертерах, мартеновских и электрических печах (индукционных и электродуговых).
Классификация сталей.
По химическому составу стали могут быть углеродистыми, содержащими железо, углерод и примеси (S, P, Mn, Si), и легированными, т.е. содержащими дополнительно легирующие элементы, введенные в сталь с целью изменения ее свойств.
По содержанию углерода стали делят на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые ().25 – 0,65 % С) и высокоуглеродистые (более 0,65 %С).
По назначению различают стали конструкционные, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений; инструментальные, идущие на изготовление различного инструмента, а также стали специального назначения с особыми свойствами: нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, с особыми электрическими и магнитными свойствами и др.
По качеству, которое прежде всего определяется количеством вредных примесей S и Р, стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Углеродистые конструкционные стали могут быть обыкновенного качества и качественные.
Углеродистые стали обыкновенного качества выплавляют в кислородных конвертерах и мартеновских печах. Они предназначены для изготовления неответственных строительных конструкций, крепежных деталей, листов, труб и т. д. Углеродистые стали обыкновенного качества производят в соответствии с ГОСТ 380-94 и маркируют буквами Ст, что означает сталь , и цифрами, обозначающий порядковый номер марки. Промышленность выпускает семь марок сталей обыкновенного качества: Ст0, Ст1,…Ст6. Чем выше номер марки, тем выше содержание углерода (от 0,23 в Ст0 до 0,5 %С в Ст6), соответственно, выше прочность и ниже пластичность. Для обозначения способа раскисления в марке добавляют индексы: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная (например, Ст3кп). Приблизительная область применения различных марок стали обыкновенного качества: Ст6 – рельсы, Ст5 – валы, оси; Ст4 – зубчатые колеса, фланцы; Ст3 – листы; Ст2 – листы, проволока; Ст1 – болты, винты, заклепки.
Качественную конструкционную углеродистую сталь выплавляют в конвертерах, мартеновских и электропечах. Содержание серы допускается до 0,04 %, а фосфора – до 0,035 %. Согласно ГОСТ 1050-88 установлены марки качественной конструкционной стали: 05кп, 08кп, 08, 08пс,10… 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60. Две первые цифры в марке показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (сталь 45содержит 0,45 % С). Качественная конструкционная сталь имеет наибольшее применение в технике. Она отличается от стали обыкновенного качества большей прочностью, пластичностью и сопротивлением ударным нагрузкам.. Если для стали обыкновенного качества максимальная прочность составляет 700 МПа, то прочность качественной конструкционной стали достигает 1100 – 1150 МПа.
Стали марок 05кп и 08кп отличаются очень высокой пластичностью в холодном состоянии, поэтому их применяют для глубокой вытяжки при холодной штамповке (например, кузовов автомобилей). Сталь марки 45 идет на изготовление коленчатых валов, втулок, поршневых пальцев. Инструментальная углеродистая сталь содержит углерода 0,7 % и более. Она отличается высокой твердостью, прочностью и предназначена для изготовления инструмента. По качеству эта сталь бывает качественной и высококачественной. Марки качественной инструментальной стали: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13. В маркировке высококачественной углеродистой стали дополнительно ставят букву А, например, У7А … У13А. Буква У обозначает углеродистую сталь, цифры указывают на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Высококачественные инструментальные стали при равной твердости менее хрупки, лучше противостоят ударным нагрузкам по сравнению с аналогичными марками качественных сталей. Высококачественную сталь выплавляют в электропечах, а качественную – в мартенах и кислородных конвертерах.
Применение инструментальных углеродистых сталей:
- cтали У7, У7А - для инструментов, подвергающихся ударам и требующих высокую вязкость при умеренной твердости (зубила, слесарные и кузнечные молотки, инструменты по дереву);
- cтали У8, У8А - для инструмента, требующего повышенной твердости и достаточной вязкости (зубила, ножницы по металлу, отвертки, столярный инструмент;
- cтали У11 – У12 - для инструментов, требующих высокой твердости (напильники, фрезы, сверла, бритвы, плашки, часовой инструмент, хирургический инструмент, пилы по металлу);
- cтали У13 - для инструментов, которые должны иметь исключительную твердость (бритвы, волочильный инструмент, сверла, зубила для насечки напильников). Из стали У8 –У12 изготавливают измерительный инструмент.
Маркировка легированных сталей. Легированные стали маркируют с помощью цифр и букв, указывающих на примерный химический состав стали. Первые цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы указывают на присутствие легирующего элемента. Каждый элемент обозначается своей буквой: Н – никель, Г – марганец, Х – хром, Ц – цирконий, Т – титан, К – кобальт, М – молибден, В – вольфрам, П – фосфор, Ф – ванадий, Б – ниобий, Ю – алюминий, С – кремний, Д – медь, А – азот. Цифры, идущие после буквы означают примерное содержание данного легирующего элемента в процентах. При содержании элемента менее 1 % цифра отсутствует. Например, сталь 12Х18Н10Т содержит 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля, менее 1 % титана. Высококачественные стали обозначают буквой А, которая стоит в конце маркировки, например, 38ХН3МФА. Если буква А расположена в середине марки (14Г2АФ), это говорит о том, что сталь легирована азотом. Если в конце марки стоит буква Л, это означает, что сталь предназначена для изготовления деталей литьем, например, 110Г13Л.
Для некоторых групп сталей используют нестандартную маркировку. Подшипниковые стали обозначают буквами ШХ и цифрой, указывающей на содержание хрома в десятых долях процента, например, ШХ15 (содержание хрома 1,5 %). Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, а первая цифра указывает на содержание вольфрама, например, Р18 (18 % W), Р6М5 (6 % W, 5 % Mo).
