Термическая обработка чугунов

Реферат

Термическая обработка, совокупность операций теплового воздействия на материалы с целью изменения структуры и свойств в нужном направлении 1 . От правильного выполнения термической обработки зависит качество и стойкость изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции. Для проведения термической обработки требуются не только глубокие знания теории и практики, но и умение самостоятельно выбрать и разработать наиболее эффективный технологический процесс термической обработки для различных деталей и инструментов, умение выбрать наиболее рациональный метод контроля, установить причины дефектов, методы их предупреждения и исправления, использовать все технические возможности и правильно организовать работу .

При термической обработке в результате нагрева до определённой температуры и охлаждения происходит изменение структуры и, как следствие этого, изменение механических и физических свойств.

Все превращения, происходящие в результате нагревания до определённой температуры и охлаждения в сталях и чугунах, можно проследить по диаграмме железо – углерод (Fe – C), которая является фундаментом науки о стали и чугуне. Углерод с железом образует химическое соединение — цементит или может находиться в сплаве в свободном состоянии в виде графита. Соответственно существуют две диаграммы сплавов железо – углерод: цементитная и графитная.

____________

1 Большой энциклопедический словарь; Под ред. Прохорова А.М.- М: “Советская

энциклопедия”, 1991, с.1324.

Виды чугунов

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода больше 2.14%. Они содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а иногда и легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др.); как правило хрупок.В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.

белый чугун серый чугун высокопрочный ковкий чугун

чугун

Весь углерод в белых чугунах находится в связанном состоянии в виде цементита. В зависимости от содержания углерода белые чугуны делят на эвтектический, доэвтектическийи заэвтектический.

Эвтектический чугун – это чугун с содержанием углерода 4.3% имеет структуру ледебурита.

Доэвтектический чугун — это чугун с содержанием углерода от 2.14 до 4.3% имеет структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит.

Заэвтектический чугун — это белый чугун с содержанием углерода от 4.3 до 6.67 % имеет структуру цементит первичный + ледебурит.

12 стр., 5800 слов

Чугун и сталь — важнейшие сплавы железа

... цементита. Промежуточное положение занимает половинчатый чугун, большая (« 0,0 %) часть углерода которого находится в РезС. Структура половинчатого чугуна -- перлит, ледебурит и пластинчатый графит. Чугуны ... и графита). Процесс образования в чугуне (стали) графита называют графитизацией. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного смазочного действия и ...

эвтектический доэвтектический заэвтектический

чугун чугун чугун

Образование структур белых чугунов, в которых углерод находится в связанном состоянии в виде цементита, характеризуется по диаграмме состояния сплавов системы железо – цементит (Fe-Fe 3 C ) . Диаграмма состояния сплавов системы железо – графит характеризует образование структур чугунов, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, то есть нет цементита и структура феррито – графитная1 .

Но при производстве чугунов выяснилось, что кроме белых и феррито – графитных чугунов можно получить и чугуны, в структуре которых имеются и графит, и цементит, то есть часть углерода находится в свободном, а часть — в связанном состоянии;и такие чугуны получают в реальных условиях.

____________

1 Кузьмин Б.А. и другие . Металлургия. Металловедение и конструкционные материалы — М., “Высшая школа”, 1977, с. 187.

В производственных условиях получают чугуны со следующими структурами:

(серый феррито – перлитный чугун)

(серый перлитный чугун)

(перлитно – цементитный чугун)

(половинчатыечугуны)

___________

1 Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. М.,”Высшая школа”,1980, с.99.

Кристализация указанных структур не может быть объяснена только одной из диаграмм состояний (Fe-Fe 3 C или железо – графит).

При образовании этих структур идет смещенная кристаллизация по обеим системам: графитной (Fe-C )

и цементитной (Fe-Fe 3 C ).

Это объясняется так: кристаллизация начинается по графитной системе и выделяется какое-то количество графита, но для того, чтобы выделялся всё время графит, требуется весьма замедленное охлаждение, при этом чем ниже температура, тем скорость охлаждения, необходимая для кристаллизации графита, должна быть меньше, так как с понижением температуры скорость кристаллизации графита уменьшается. Если скорость охлаждения при какой-то температуре больше скорости, обеспечивающей выделение графита, то выделение графита полностью или частично прекращается, сплав по отношению к условиям кристаллизации графита оказывается переохлаждённым, что способствует выделению цементита и кристаллизация с графитной системы переходит на цементитную (смешанный процесс кристаллизации).

Чугун, имеющий графитные включения сфероидальной формы, называют

высокопрочным чугуном, так как графит сфероидальной формы имеет меньшее отношение его поверхности к объему, что определяет наибольшую сплошность металлической основы, а следовательно, и прочность чугуна. Структура металлической основы чугунов с шаровидным (сфероидальным) графитом такая же, как и в обычном сером чугуне, то есть в зависимости от химического состава чугуна, скорости охлаждения (толщины стенки отливки) могут быть получены чугуны со следующей структурой: феррит + шаровидный графит (ферритный высокопрочный чугун), феррит + перлит + шаровидный графит (феррито-перлитный высокопрочный чугун), перлит + шаровидный графит (перлитный высокопрочный чугун) 1 .

Ковкий чугун – условное название мягкого и вязкого чугуна, получаемого из белого чугуна отливкой и дальнейшей термической обработкой. Используется длительный отжиг, в результате которого происходит распад цементита с образованием графита, то есть процесс графитизации, и поэтому такой отжиг называют графитизирующим. Ковкий чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита, однако графитовые включения в ковком чугуне иные, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что включения графита в ковком чугуне расположены в форме хлопьев, которые получаются при отжиге, и изолированно друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и чугун обладает некоторой вязкостью и пластичностью. Из-за своей хлопьевидной формы и способа получения (отжиг) графит в ковком чугуне часто называют углеродом отжига.

4 стр., 1625 слов

Структура и свойства чугуна

... его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита; отбеленный чугун, в котором основная масса ... в связанном состоянии в виде цементита Fe 3 C; половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде цементита; серый чугун, в котором весь углерод или ...

По составу белый чугун, подвергающийся отжигу на ковкий чугун, является доэвтектическим и имеет структуру ледебурит + цементит (вторичный) + перлит. Для получения структуры феррит + углерод отжига в процессе отжига должен быть разложен цементит ледебурита, вторичный цементит и цементит эвтектоидный, то есть входящий в перлит. Разложение цементита ледебурита и цементита вторичного ( частично) происходит на первой стадии графитизации, которую проводят при температуре выше критической (950 – 1000 о С); разложение эвтектоидного цементита происходит на второй стадии графитизации, которую проводят путём выдержки при температуре ниже критической (740 – 720о С), или

___________

1 Кузьмин Б.А. и др. Металлургия. Металловедения и конструкционные материалы. М: “Высшая школа”, 1977, с.190.

при медленном охлаждении в интервале критических температур (760 – 720 о С)

Термическая обработка чугунов.

Термическую обработку чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, которые возникают при литье и вызывают изменения размеров и формы отливки с течением времени, снижение твёрдости и улучшение обрабатываемости резанием, повышение механических свойств.

Чугун подвергают отжигу, нормализации, закалке и отпуску, а также некоторым видам химико-термической обработки (азотированию, алитированию, хромированию).

Отжигу для снятия внутренних напряжений подвергают чугуны при следующих температурах:

серый чугун с пластинчатым графитом 500 –570 о С;

высокопрочный с шаровидным графитом 550 – 650 о С;

низколигированный 570 – 600 о С;

высоколигированный чугун (типа нирезист) 620 – 650 о С1 .

Нагрев медленный со скоростью 70 – 100 о С/ час, выдержка при температуре нагрева зависит от массы и конструкции отливки и составляет от 1-го до 8-ми часов. Охлаждение до 250о С (для предупреждения возникновения термических напряжений) медленное, со скоростью 20 – 50о С /ч, что достигается охлаждением отливки вместе с печью. Далее отливки охлаждают на воздухе2 .

При этом отжиге фазовых превращений не происходит, а снимаются внутренние превращения, повышается вязкость, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

Графитизирующий отжиг применяют для получения ковкого чугуна из белого чугуна и для устранения отбела отливок из серого чугуна.

___________

1 Зуев В.М. Термическая обработка металлов. — М: “Высшая школа”, 1976, с.188.

6 стр., 2561 слов

Свойства и классификация чугуна

... Высокопрочный чугун с шаровидным графитом железо углерод чугун К бейнитным чугунам относятся чугуны, структура металлической основы которых частично или полностью состоит из бейнита. Бейнитные структуры образуются в результате превращения аустенита при ...

2 Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста. – М:”Высшая школа”, 1986, с.112.

Для получения ковкого чугуна используют белый доэвтектический чугун (2,5 – 3,0 % С; 0,5 – 1,5 % Si; 0,3 – 1,0 % Mn; 0,08 – 0,2 % Р; неболее 0,12 % S), в котором при отжиге происходит распад цементита с образованием графита – графитизация белого чугуна.

Графитизацию при температурах выше критической можно представить следующим образом:

Цементит аустенит и графит.

Процесс графитиззации начинается с возникновения графитных центров, которые наиболее легко зарождаются в местах нарушения сплошности – в закалочных и деформационных микротрещинах, усадочных микропорах. При появлении в белом чугуне центров графитизации нарушается равновесие между аустенитом и цементитом и в соответствии с диаграммой железоуглеродистых сплавов (линии ES, E’S’) возникает перепад концентрации углерода на границах раздела фаз: аустенит – графит и аустенит – цементит. В возникающей системе из трёх фаз – аустенита, графита и цементита аустенит не может одновременно находиться в равновесии с цементитом и графитом. Так как система стремится к равновесию из аустенита, который пересыщен в слое, прилегающем к графиту, будет выделяться избыток углерода и включения графита будут расти. Но при этом аустенит становится ненасыщенным в слое, который прилегает к цементиту, и происходит распад цементита и растворение углерода в аустените, что снова вызывает пересыщение аустенита в слое, который прилегает к графиту, и выделение из него избыточного углерода. Таким образом, распад цементита продолжается до полного его растворения в аустените, после чего между включениями графита и аустенита устанавливается равновесие. В результате такого распада образуется хлопьевидный графит (углерод отжига) , характерный для структуры ковкого чугуна.

первой стадией графитизации

Полной графитизации, то есть получения структуры, которая состоит из перлита и графита, можно достигнуть охлаждением чугуна;

1. в эвтектоидном интервале температур с такой скоростью, чтобы происходил прямой эвтектоидный распад аустенита на феррит и графит (А Ф + Г);

2. немного ниже эвтектоидного интервала температур с образованием из аустенита перлита [A П ( Ф + Ц )] с выдержкой при этой температуре для графитизации эвтектоидного цементита (Ц Ф + Г).

второй стадией графитизации

Для сокращения времени отжига белого чугуна применяют следующие методы:

  • модифицирование;
  • предварительную закалку;
  • предварительную низкотемпературную выдержку.

Модифицирование, Отжиг с предварительной закалкой, Отжиг с предварительной низкотемпературной выдержкой

сфероидизирующий отжиг

Получение чугуна с зернистым перлитом можно представить в виде следующих схем :

1.быстрое охлаждение после первой стадии графитизации до температуры несколько ниже 700-720 о С и длительная выдержка при этой температуре;

2.быстрое охлаждение после первой стадии графитизации до температуры 20 о С с последующим циклическим режимом — нагрев выше и охлаждение ниже температуры 700-720о С повторяют несколько раз.

Графитизирующий отжиг, Низкотемпературный отжиг

____________

4 стр., 1974 слов

Реферат белый чугун

... их и белого чугуна повышается. По интенсивности влияния на твёрдость белого чугуна основные и легирующие элементы располагаются в следующей последовательности, начиная с углерода, определяющего количество ... трещины в отливке свидетельствует получение отрицательной величины ек. Чем большее положительное значение имеет критерий, тем меньше склонность металла к трещинообразованию. На основании ...

1. Большой энциклопедический словарь;Под редакцией Прохорова А.М.–

М: “Советская энциклопедия”, 1991, с. 823

2 Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста – М: ”Высшая школа”, 1986, с.112.

Нормализацию применяют для увеличения связанного углерода, повышения твердости, прочности и износостойкости серого, ковкого и высокопрочного чугунов. При нормализации чугун нагревают выше температур интервала превращения (850-950 о С) и после выдержки в течение 0.5-3.0 часа, при которой должно произойти насыщение аустенита углеродом, охлаждают на воздухе1 .

Растворение графита в Y -фазе является важным процессом при нормализации (а также и при закалке) чугуна с ферритной или феррито-перлитной структурой. Этот процесс подобен цементации стали; разница в том, что при цементации происходит насыщение поверхностного слоя стальной детали углеродом из внешней среды, а при нагреве чугунной отливки «карбюризатором» являются многочисленные включения графита, расположенные в металлической основе, и насыщение углеродом происходит во всём объёме отливки. На растворение углерода в аустените чугунной отливки влияет температура: с повышением температуры нагрева растворимость углерода в Y -фазе резко увеличивается. В результате нормализации чугуна с исходной структурой основной массы феррит или феррит и перлит получается структура перлита или сорбитообразного перлита с повышенной твердостью и прочностью.

Перлитные чугуны не нормализуют, так как повышение степени дисперсности продуктов распада аустенита существенно не влияет на механические свойства.

При закалке чугуна превращения аналогичны превращениям, происходящим при закалке стали. Но в связи с наличием в чугуне включений графита закалка чугунов имеет следующие особенности.

1. Закалка проводится из двухфазного аустенито-графитного состояния.

2. При нагреве происходит растворение графита в аустените, в связи с чем, несмотря на различную исходную структуру чугуна, превращению при охлаждении подвергается аустенит с эвтектоидной или заэвтектоидной концентрацией углерода.

3. При растворении графита в зонах, удалённых от мест контакта аустенита с графитом, концентрация углерода меньше.

4. Ликвация при нагреве под закалку не устраняется.

Закалке подвергают серый, ковкий и высокопрочный чугун для повышения твёрдости, прочности и износостойкости. По способу выполнения закалка чугуна может быть объёмной непрерывной, изотермической и поверхностной.

При объёмной непрерывной закалке

После закалки от оптимальной температуры и выдержки, обеспечивающей достаточное растворение углерода в аустените, в ферритном чугуне получается

____________

1 Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста – М: “Высшая школа”, 1986, с. 113.

мартенситная структура с максимальной твёрдостью HRC 55 –60. В чугунах

высокопрочных, аустенит которых обладает пониженной критической скоростью закалки, твёрдость после закалки достигает HRC 60 –62. Прочность после закалки понижается. Прокаливаемость высокопрочного чугуна выше прокаливаемости серого чугуна. После закалки чугун подвергают низкому отпуску для снятия части внутренних напряжений или высокому отпуску с получением сорбитной или троостосорбитной структуры.

6 стр., 2522 слов

Термическая обработка стали и чугуна

... и охлаждение для снятия остаточных напряжений после закалки. Если отпуск проводится при комнатной температуре или несколько ее превышающей, он называется старением . термический сталь механический чугун 2. Влияние термической обработки на механические свойства стали Термическая обработка ... II рода полный отжиг Полному отжигу подвергают отливки, поковки, прокат для измельчения зерна, снятия внутренних ...

При изотермической закалке, Поверхностную закалку

При поверхностной закалке ферритных чугунов для получения высокой твёрдости после закалки необходим нагрев с меньшей скоростью (~ 5 – 10 о С/с) и до более высокой температуры (~ до 1050о С) для того, чтобы произошло насыщение аустенита углеродом (вследствие растворения графита).

На результат поверхностной закалки ферритного чугуна влияет характер распределения графитных включений в металлической основе, т.е. их количество, размер и расстояние между ними. Чем мельче включения графита, тем их больше и расстояние между ними меньше. С увеличением количества графитовых включений твёрдость закалённого ферритного чугуна повышается особенно резко при увеличении числа включений до 200 –300 на 1мм 2 .

Отпускпроводится с целью снятия термических напряжений, повышения твёрдости, прочности и износостойкости. Нагрев проводят медленный для

сложных изделий до температуры 150 – 300 о С для деталей работающих на износ или 400 – 600о С, затем дают выдержку 1 – 3 часа. Охлаждение проводят на воздухе.

Для стабилизации размеров литых чугунных деталей, предотвращения коробления и снятия внутренних напряжений применяют старение.

Различают два вида старения: естественное и искуственное.

Естественное старение

При вибрационном старении снижение напряжений достигает 10 – 15 %. Во время вибрации в отливке возникают дополнительные временные напряжения, вызывающие локальные пластические деформации чугуна и , таким образом, повышающие стойкость против последующего коробления.

Старение методом статистической перегрузки отличаются тем, что для создания дополнительных временных напряжений деталь подвергают воздействию внешних статических нагрузок. При этом методе снижение напряжений достигает 10 – 30 %.

Старение методом термоударов (термоциклическое старение) осуществляется путём быстрого нагрева и охлаждения всей детали или отдельных участков её. Стойкость против коробления повышается за счёт пластических деформаций, вызываемых временными температурными напряжениями. Общий уровень напряжений снижается на 10 –20 %. Термоциклическое старение осуществляется по следующему режиму: загрузка в печь и нагрев за 3 – 3,5 часа до 350 о С, выдержка 2 – 2,5 часа, а затем резкое охлаждение (на воздухе); снова повторный нагрев (за 1 – 1,5 часа) до 320о С, выдержка 4 – 5 часов и охлаждение вместе с печью до 150 – 100о С.

Искусственное старение

При искуственном старении отливки чугуна загружают в печь, нагретую до 100 – 200 о С, нагревают до температуры 550 – 570 о С со скоростью 30 – 60о С в час, выдерживают 3 – 5 часов и охлаждают вместе с печью со скоростью 20 – 40о С в час до температуры 150 – 200оС, а затем охлаждают на воздухе.

Обычно старение проиводят после грубой механической обработки.

Химико – термическая обработка.

Кроме термической обработки чугуны подвергают химико – термической обработке.

Для повышения поверхностной твёрдости, износостойкости, предела усталости и коррозийной стойкости серые и высокопрочные чугуны подвергают азотированиюилинасыщению азотом поверхности отливки. Чаще азотируют серые перлитные чугуны, легированные хромом, молибденом, алюминием. Температура азотирования 550 –580 о С, время выдержки 30 – 70 часов, степень диссоциации аммиака около 30%. В результате азотирования получается слой толщиной до 0,4мм твёрдостью до HV 900. Оптимальная температура азотиро-

4 стр., 1690 слов

Термическая обработка металлов и сплавов

... изменения химического состава. Назначение термической обработки металлов – получение требуемой твердости, улучшение прочностных характеристик металлов и сплавов. Термическая обработка подразделяется на термическую, термомеханическую и химико-термическую. Термическая обработка – только термическое воздействие, термомеханическая – сочетание термического воздействия и пластической деформации, ...

вания высокопрочного чугуна 650 – 700 о С, степень диссоциации аммиака 30 – 45%. Слой толщиной 0,25мм получается после выдержки 12 часов; твёрдость до HV 1000.

Кроме азотирования, повышение поверхностной твердости, износостойкости

и предела выносливости легированного серого перлитного чугуна можно достигнуть газовым и жидкостным цианированием диффузионным насыщением поверхности отливок углеродом и азотом при температуре 570о С. Более эффективно газовое цианирование – слой толщиной 0,15 – 0,20мм с максимальной твёрдостью HV 1000 достигается через 8 часов.

Для повышения жаростойкости и сопротивления атмосферной коррозии чугунные отливки можно подвергать алитированию, то есть насыщению поверхности алюминием. Температура алитирования 900 — 1050 о С, время выдержки

2 – 6 часа, охлаждение вместе с печью или на воздухе.

Для повышения коррозионной стойкости в кислотах, износостойкости и жароупорности чугунные отливки подвергают силицированию – поверхностному или объёмному насыщению кремнием путём обработки в газовой среде, содержащей кремний.

Хромирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя чугунных отливок хромом, для повышения твёрдости до HV 1600, износостойкости, жаростойкости, предотвращения коррозии или в защитно-декоративных целях. Хромирование проводят при температуре 950 – 1000оС, время выдержки 10 – 12 часов в твёрдой среде, 5 часов – в газовой. Охлаждают вместе с печью или на воздухе.

Кроме того для улучшения обрабатываемости и предупреждения задиров чугунные отливки можно подвергать сульфидированию. Его проводят при температуре 550 – 600 о С, чугунные отливки выдерживают 3 часа, затем охлаждают на воздухе.

Полученные в доменных печах чугуны не обладают всеми эксплуатационными свойствами, поэтому чтобы снять внутреннее напряжение, возникающее при литье и вызывающее с течением времени изменение размеров и формы отливки, снизить твёрдость и улучшить обрабатываемость резанием и повысить механические свойства чугунов необходимо подвергнуть их термической обработке. Все виды термической обработки взаимосвязаны. Нельзя получить все необходимые механические свойства лишь одним видом термической обработки; при отжиге снимаются внутренние напряжения, повышается вязкость, при нормализации изменяется структура, повышается прочность и износостойкость, при закалке повышается твёрдость, структура становится более равновесной, а при отпуске повышается пластичность, уменьшается хрупкость закалённой отливки. Старение стабилизирует размеры литых чугунных деталей.

Теорию термической обработки необходимо знать каждому термисту, так как от правильного выбора , разработки наиболее эффективного технологического процесса термической обработки и его выполнения зависит качество изготовляемых деталей. Только изучив теорию и практику термической обработки металлов, термист может успешно работать на современных машиностроительных заводах, успешно внедрять в технологию термической обработки новейшие достижения науки и техники, бороться за механизацию и автоматизацию технологических процессов.

11 стр., 5309 слов

Реферат литье металлов

... отливок; небольшой расход смеси; качественная структура металла за счет повышенной газопроницаемости форм; широкая возможность автоматизации; небольшие допуски на обработку резанием. Недостатки: ограниченный размер отливок (до 1500 мм); высокая ... литье по выплавляемым моделям, должны обладать минимальными значениями усадки и коэффициента термического расширения, иметь высокую ... чугунной ... тем самым ...

Используемая литература:

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/na-temu-termicheskaya-obrabotka-chuguna/

1. Большой энциклопедический словарь; Под редакцией Прохорова А.М.–

М: Советская энциклопедия, 1991, 1628 с.

2. Зуев ВМ. Термическая обработка металлов – М: Высшая школа, 1976,

344 с. с ил.

3. Кузьмин Б.А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы — М: Высшая школа, 1977, 304 с. с ил.

4. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы – М: высшая школа, 1980, 360 с. с ил.

5. Самохоцкий А.И., Парфёновская Н.Г. Технология термической обработки металлов – М: Машиностроение, 1976, 311 с. с ил.

6. Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста – М: Высшая школа, 1986, 239 с. с ил.