4. Загальна характеристика та властивості заліза. Поліморфізм заліза, його значення.

Залізо – хімічний елемент VIII групи періодичної системи Менделеєва. Щільність заліза – 7874 кг/см³; температура плавлення 1573⁰С; температура кипіння 3200⁰С. Теплопровідність заліза – 74 Вт/(м∙К). чисте технічне залізо –м’який пластичний блискучий метал сріблясто-білого кольору, має кристалографічні модифікації – ОЦК-гратку (α і β-залізо) і ГЦК-гратку (γ-залізо).

Твердість технічного заліза ≈ 80 НВ. Домішки заміщення (Cr, Mn, Ni та ін.) впливають на властивості заліза значно слабкіше, ніж домішки проникнення (О₂, С, N₂), які підвищують міцність заліза і знижують його пластичність . Найважливішою особливістю заліза, яка визначає можливість одержання різноманітних властивостей у сплавах на його основі, є наявність двох поліморфних перетворень.

Змінюючи положення критичних точок внаслідок введення легувальних добавок, фіксуючи різні стабільні і метастабільні стани шляхом термічного оброблення , в сплавах заліза можна одержати надзвичайну різноманітність структури і властивостей, тому залізо є основою усіх сталей і багатьох сплавів.

Властивості заліза залежать від його чистоти. Чистота заліза визначає його механічні властивості.

При Т=911⁰С – відбувається перетворення α-Fe (ОЦК)↔ γ- Fe (ГЦК); при Т=1392⁰С – перетворення γ- Fe (ГЦК) ↔ δ-Fe (ОЦК).

Отже при температурах, нижчих від 911⁰С, існує α-Fe з феромагнетними властивостями. В інтервалі температур 911-1392⁰С стійким є γ- Fe з ГЦК-граткою. При Т>1392⁰С до температури плавлення залізо знову має ОЦК-гратку і називається високотемпературною модифікацією α-Fe, яка позначається δ-Fe. Поліморфні перетворення заліза супроводжуються зміною об’єму. Перехід γ- Fe в δ-Fe призводить до зменшення координаційного числа та компактності гратки.

Основні властивості заліза: воно пластичне, легко кується як в холодному, так і в нагрітому стані, піддається прокатці, штампуванню і волочінню. Здатність розчиняти вуглець і інші елементи служить основою для здобуття різних сплавів.

5. Фізичні властивості сталевих виливків. Вакуумування рідкої сталі як метод покращення фізичних властивостей сталей.

Фізичні властивості поділяються на 2 групи:

• об’ємні (теплові, електричні, магнетні);

• поверхневі (твердість, оброблюваність, зносостійкість).

1. Твердість – залежить від хімічного складу сталі. При підвищенні вмісту вуглецю або легувальних елементів підвищується дисперсність будови та спотворення кришталевої гратки, це призводить до підвищення твердості.

2. Оброблюваність. Сталеві виливки, виготовлені з будь-якої сталі піддаються усім видам механічного оброблення . великий вплив на оброблюваність сталей справляють однорідність структури та чистота металу щодо твердих вкраплин. Оброблюваність ливарних сталей також підвищують тормообробкою, для цього використовують високий відпуск, відпал, або нормалізацію.

3. Зносостійкість. Якщо лита деталь працює в умовах ударного зносу – то деталі виготовляють з аустенітної марганцевої сталі. В умовах оброблення наклепується структура (аустеніт переходить в мартенсит). В умовах сухого тертя рекомендують матеріал з в’язкою сталлю і твердими вкраплинами.

4. Теплові властивості: теплопровідність та теплоємкість. Теплопровідність сталі з вмістом Cr, Mn, Si і Ni більше 5% зменшується у 2…4 рази у порівнянні з вуглецевою сталлю. При підвищенні температури зменшується теплопровідність. З підвищенням вмісту вуглецю підвищується теплоємкість сталі.

5. Електричні властивості. Підвищення вмісту вуглецю і легувальних елементів, наявність пор і вкраплин у литому металі збільшують електричний опір. В результаті холодного деформування електричний опір підвищується. Феритні і аустенітні сталі характеризуються найвищим електричним опором.

6. Магнетні властивості. Є магнетно-м’які і магнетно-тверді сталі.

• Петля гістерезису вузька (низько вуглецеві сталі, сталі після відпалу);

• Мають тривалий час зберігати немагнечуваність (сталі з високим вмістом вуглецю, після гартування). Якщо до Fe додати 14…20% Mn, сталь стає суто аустенітною. Аустенітна сталь не є магнетною.

Вакуумування сталі.

При вакуумно-дуговому та вакуумно-індукційному переплавах джерелом тепла є вольтова дуга або магнетне поле індуктора. У першому випадку дуга горить між торцем електрода і ванною рідкої сталі і розплавляє електрод, у другому випадку – метал плавиться внаслідок виникнення в ньому потужних вихрових струмів. В умовах глибокого вакууму - (1 мм. рт. ст.) – і високої температури дуги при ВДП крапельний потік активно дегазується, очищається від домішок кольорових металів і оксидних вкраплин. Ізоляція від атмосфери і вогнетривів, швидка направлена кристалізація забезпечують високу ступінь чистоти сталі, однорідну структуру і мінімальну ліквацію. При ВІП плавлення металу здійснюється у такому ж глибокому вакуумі. Виливки, виготовлені із такого металу мають високу міцність і пластичність.