Урок. Закалка чугуна.

ВВЕДЕНИЕ К ЗАКАЛКЕ ЧУГУНА.

Чугун занимает одно из ведущих мест среди конструкционных материалов, причем наблюдается устойчивая тенденция увеличения объемов использования наиболее высококачественных его марок. Это объясняется лучшими литейными и технологическими свойствами чугуна по сравнению со сталью, более низкой температурой плавления, хорошей обрабатываемостью резанием.
Представляя собой многофазную и многокомпанентную систему, составляющие которой можно целенаправленно изменять, этот материал позволяет получать широкий спектр состояний структуры и свойств.
Чугун обладает уникальными, присущими только ему особенностями.
Так, наличие графитных включений обеспечивает хорошие антифрикционные свойства, способность быстро гасить вибрации и резонансные колебания, малую чувствительность к надрезам, меньший, чем у стали удельный вес, повышенную теплопроводность.
Все это обуславливает широкое применение чугуна для изготовления таких ответственных изделий, как блоки цилиндров, коленчатые и распределительные валы. Тормозные барабаны, диски сцепления, поршневые кольца.

Что такое явление резонанса: частота колебаний

Чтобы проще понять, что такое резонанс, вспомните такую нехитрую и приятную забаву, как катание на подвесных качелях. Один человек сидит на них, а второй раскачивает.

И прикладывая совсем небольшие силы, даже ребенок может очень сильно раскачать взрослого. Как он этого добивается? Частота его раскачиваний совпадает с частотой качающегося, возникает резонанс, и амплитуда раскачиваний сильно возрастает. Как-то так. Но обо всем по порядку.

Частота колебаний это количество колебаний за одну секунду. Измеряется она при этом не в разах, а в герцах (1 Гц). То есть, частота колебаний в 50 герц означает, что тело совершает 50 колебаний в секунду.

В случае вынужденных колебаний всегда есть самоколеблющееся (или в нашем случае качающееся) тело и вынуждающая сила. Так вот эта сторонняя сила действует с определенной частотой на тело.

И если его частота будет сильно отличаться от частоты колебаний самого тела, то сторонняя сила будет слабо помогать телу колебаться или, говоря научно, слабо усиливать его колебания.

Например, если пытаться раскачать человека на качелях, толкая его в момент, когда он летит на вас, вы можете отбить себе руки, скинуть человека, но вряд ли сильно его раскачаете.

А вот если раскачивать его, толкая в направлении движения, то нужно совсем немного усилий, чтобы добиться результата. Вот это и есть совпадение частоты или резонанс колебаний. При этом сильно возрастает их амплитуда.

Примеры резонансных колебаний: польза и вред

Так же и при катании на другом варианте качелей в виде доски на подставке проще и эффективнее отталкиваться ногами от земли, когда ваша сторона качелей уже поднимается, а не когда она опускается.

По этой же причине застрявшую в ямке машину постепенно раскачивают и толкают вперед в моменты, когда она сама двигается вперед. Так значительно повышают ее инерцию, усиливая амплитуду колебаний.

Можно приводить множество подобных примеров, которые говорят о том, что мы на практике очень часто применяем явление резонанса, только делаем мы это интуитивно, не догадываясь, что применяем правила физики.

Выше говорилось о полезности явления резонанса. Однако, резонанс может и вредить. Иногда возникающее увеличение амплитуды колебаний может быть очень вредным. В частности, мы говорили о роте солдат на мосту.

Так вот были несколько случаев в истории, когда под шагами солдат реально разрушались и падали в воду мосты. Последний из них произошел около ста лет назад в Петербурге. В таких случаях частота ударов солдатских сапог совпадала с частотой колебаний моста, и мост рушился.

Именно поэтому, на основе горького опыта, было введено правило для солдат сбрасывать шаг, заходя на мост.


В последнее время технологии изготовления изделий из чугуна претерпевают серьезные изменения в связи с возросшими требованиями к качеству заготовок и уровню их свойств.
Существуют четыре традиционных пути повышения уровня механических свойств и качества чугуна:
совершенствование технологии выплавки;
легирование;
модифицирование;
термическая обработка ( в частности, изотермическая закалка , которая позволяет достичь показателей прочности 1000-1200 МПа при удлинении 2-10%).












Закалка и отпуск

Закалка и отпуск изменяют структуру основной массы (матрицы) чугуна, полученной при отливке.
В результате закалки может быть получена либо ферритокарбидная смесь разной степени дисперсности, либо мартенситная структура.
При разработке технологии для термической обработки чугуна (закалки и отпуска) необходимо учитывать некоторые особенности превращений, свойственные чугуну.
Для чугуна тройного сплава (Fe – Si – C) с высоким содержанием кремния понятие о критической точке при нагреве иное, чем для стали.
При выборе температуры нагрева для закалки чугуна нужно учитывать положение двух эвтектоидных интервалов - метастабильного и стабильного превращений (структурообразование чугуна).
Серый чугун может иметь различную исходную структуру при разном количественном сочетании стабильной и метастабильной фаз.
Кроме того, в процессе нагрева ниже критического интервала протекает графитизация эвтектоидного цементита, т. е. увеличивается относительное количество стабильной фазы - графита.
Следовательно, при нагреве чугуна образование аустенита протекает как бы в две стадии: вначале идет образование аустенита за счет метастабильных фаз (феррита и цементита), затем при более высокой температуре продолжается образование аустенита за счет стабильных фаз (феррита и графита).


При закалке температура нагрева должна быть выше верхней границы стабильного интервала, для того чтобы в структуре после закалки чугуна не наблюдался феррит.
Для чугуна, содержащего до 2,5% кремния ,феррит обнаруживается при закалке до 800С , что и является границей эвтектоидного интервала при таком содержании кремния.
Увеличение содержания кремния до 3,5% повышает эту температуру
·до 900С
Закалке обычно подвергается чугун, содержащий не более 2,0% кремния; температура нагрева должна превышать эту границу на 50-70С , т.е. находиться в пределах 850 - 870С.
Эта температура так же отвечает оптимальному пределу содержания углерода в аустените, что обеспечивает максимальную твердость чугуна после закалки.
Превышение температуры приводит к излишнему увеличению содержания углерода в аустените вследствие растворения графита, что приводит к увеличению количества остаточного аустенита в закаленном чугуне, снижает твердость после закалки.
Скорость нагрева при закалке должна быть достаточно высокой в тех пределах, которые не вызывают образования трещин, так как повышение скорости нагрева ослабляет графитизацию эвтектоидного цементита и уменьшает относительное количество стабильной фазы.
Выдержка при заданной температуре ( 850-870С) должна обеспечить полный прогрев отливки по сечению и растворение графита.
Выдержка тем длиннее, чем больше феррита и меньше перлита, например , 10-15 мин для перлитных чугунов и до 1,5 – 2 часа для ферритных чугунов.

Многими исследованиями доказано, что графит растворяется в аустените относительно быстро; следовательно выдержка не должна быть быстрой.
Увеличение выдержки не приносит пользы, так как в аустените идет диффузия углерода и с увеличением выдержки увеличивается неоднородность аустенита по содержанию углерода.

Чугун подвергается как обычной закалке, так и изотермической обработке.

В качестве охлаждающей жидкости для обычной закалки применяется масло.
Чугун с пластинчатым графитом практически нечувствителен к охлаждающей жидкости.
Твердость после закалки в разных средах ( с разной интенсивностью охлаждения) колеблется в пределах HRC 43,5 -45,5.
Закалка в воде не повышает твердость, но увеличивает склонность чугуна к трещинообразованию и способствует образованию закалочных трещин.
Повысить твердость чугуна с пластинчатым граффитом можно легированием элементами Mn, Cr, Ni, Mo, повышающими устойчивость аустенита и понижающими критическую скорость закалки.
В чугуне с глобулярным графитом при закалке может быть получена нормальная твердость (HRC 59-62). Однако в этом чугуне сильно выражена склонность к трещинообразованию при закалке, что так же вызывает необходимость закалки в масле.



Прокаливаемость серого чугуна, т.е. глубина проникновения мартенситной зоны при закалке, определяется его составом, главным образом по содержанию углерода и кремния, а так же формой графита.
Чугун с глобулярной формой графита прокаливается глубже и имеет на поверхности более высокую твердость.
Высокоуглеродистые и высококремнистые чугуны вследствие наличия грубого графита и малой устойчивости аустенита обладают низкой прокаливаемостью. Кремний не понижает устойчивости аустенита. Однако увеличение одного кремния или совместно с углеродом сильно понижает устойчивость аустенита вследствие усиления неоднородности аустенита по содержанию углерода.
Увеличение устойчивости аустенита, а следовательно, и увеличение прокаливаемости может быть достигнуто легированием чугуна элементами Mn, Cr, Ni, Mo.
Применение больших количеств этих элементов (выше10% Mn или Ni) дает аустенитную структуру как при отливке, так и при закалке (аустенитные чугуны).







Изотермическая обработка чугуна.

Особое значение имеет изотермическая обработка чугуна без образования закалочных трещин, при которой можно получить любую заданную структуру в зависимости от выбранной температуры выдержки.
Нагрев и изотермическая выдержка производятся в соляных ваннах. Составы солей подбираются в зависимости от заданной температуры обработки.
Изотермической обработке подвергаются отливки из высококачественного чугуна (например с шаровидным графитом) относительно небольшого сечения (10-12 мм), так как переохлаждение в ванне должно быть по всему сечению детали.
Преимущество изотермической закалки – резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления.
При изотермической закалке чугун нагревают до 830 - 900С выд6ерживают 0,2 – 1,5 часа и ххлаждают в расплавленных солях, имеющих температуру 250 - 400С, и после выдержки охлаждают на воздухе.
Изотермическая обработка может быть использована для распада аустенита в первой и второй ступенях. Обработка при температурах 600-550С повышает механические свойства чугуна на 15-20% против обычной закалки с отпуском при тех же температурах и при одинаковой твердости. Эти преимущества появляются вследствие отсутствия закалочных трещин.
Изотермическая обработка в области температур второй ступени (450-250С) повышает сопротивление износу.

Это связано с наличием кремния, повышающего устойчивость чугуна против отпуска. Падение твердости при отпуске чугуна начинается интенсивно от температур 400-450С.
Для чугуна отпуск производится в интервале температур 400-600С в зависимости от требуемой твердости.
Для повышения сопротивления износу отпуск проводится в пределах 250 -400С.
В хромоникилеевых чугунах обнаруживается отпускная хрупкость при отпуске 500-550С. Поэтому они должны подвергаться отпуску ниже или выше этих температур.

Определение отпуска: Отпуск - это процесс длительной выдержки отливок при комнатной (естественное старение) или повышенной (искусственное старение) температуре с целью приближения их к равновесному состоянию. Отпуск применяют как правило после закалки или нормализации. При этом повышаются пластические свойства отливок.
Как самостоятельный процесс его используют для снятия внутренних термических напряжений.
15

Приложенные файлы

  • doc 4672943
    Размер файла: 54 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий