Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Общие сведения о получении, составах, термической обработке и тепловом расширении чугуна
1.1. Классификация и маркировка 9
1.2. Составы и получение
1.2.1. Составы 17
1.2.2. Получение
1.3. Термическая обработка 53
1.4. Термоциклическая обработка 58
1.5. Химико-термическая обработка 60
1.6. Тепловое расширение 66
1.7. Выводы по главе 72
Глава 2. Материалы и методика исследования
2.1. Исходные материалы 73
2.2. Обработка расплава 73
2.3. Термическая обработка 75
2.4. Металлографический анализ 77
2.5. Определение коэффициента линейного расширения 78
2.6. Метод расчета доверительного интервала 81
2.7. Методика определения плотности 82
2.8. Методика определения химического состава и содержания газов (водорода, азота и кислорода) 83
ГЛАВА 3. Влияние обработки расплава на линейное расширение доменного чугуна 87
3.1. Выстаивание 88
3.2. Влияние обработки расплава твердыми веществами -
3.2.1. Обработка диоксидом кремния 91
3.2.2. Влияние обработки расплава полимером тетрафторэтилена 98
3.2.3. Обработка свинцовистыми силуминами
3.3. Влияние термоциклической обработки расплава 109
3.4. Влияние наводороживания расплава
3.4.1. Влияние обработки расплава влажным асбестом 120
3.4.2. Влияние электролитического наводороживания шихты
1 3.5. Продувка расплава водяным паром совместно с азотом 131
3.6. Выводы по главе 141
ГЛАВА 4. Влияние термической обработки на линейное расширение чугуна без выделений графита в связи с обработкой расплава 143
4.1. Влияние термической обработки на линейное расширение в интервале 50-450С (передельный чугун ОАО «КМК») 143
4.1.1. Влияние предварительного низкотемпературного нагрева в интервале 100-300С 143
4.1.2. Влияние нагрева в интервале 540-560С 154
4.1.3. Влияние температуры, времени и среды нагрева в интервале 900-1000С 160
4.1.3.1.Влияние предварительного высокотемпературного нагрева в среде бондюжского карбюризатора 163
4.1.3.2. Влияние закалки на линейное расширение чугуна, предварительно подвергавшегося нагреву в бондюжском карбюризаторе 174
4.2. Влияние термической обработки на линейное расширение чугуна без выделений графита в интервале 50-450С (передельный чугун ОАО«ЗСМК») ; 193
4.3. Выводы по главе 209
ГЛАВА 5. Перспективы использования результатов работы
5.1. Современные инварные сплавы 211
5.2. Влияние условий получения и термической обработки на линейное расширение чугуна без выделений графита в интервале 20-700С
5.2.1. Чугуны с резким увеличением коэффициента линейного расширения при 700С 222
5.2.2. Чугуны с постоянным снижением коэффициента линейного расширения до 700С 227
5.2.3. Влияние термической обработки на линейное расширение доменного чугуна с высокотемпературной аномалией 227
5.2.4. Влияние термической обработки на линейное расширение доменного чугуна без высокотемпературной аномалии
5.3. Влияние термической обработки на содержание водорода, азота и кислорода в доменном чугуне 231
5.4. Сравнение линейного расширения доменного чугуна без выделений графита с линейным расширением быстрорежущей стали 236
5.5. Сравнение линейного расширения доменного чугуна без выделений графита с линейным расширением инваров 250
5.6. О связи теплового расширения доменного чугуна без выделений графита с износо- и коррозионной стойкостью 258
5.7. Сравнение линейного расширения доменного чугуна без выделений графита и специальных чугунов 263
5.8. Выводы по главе 263
Общие выводы 265
Список литературы
- Термоциклическая обработка
- Определение коэффициента линейного расширения
- Влияние обработки расплава полимером тетрафторэтилена
- Влияние температуры, времени и среды нагрева в интервале 900-1000С
Термоциклическая обработка
Половинчатый чугун характерен тем, что в нем наряду с ледебуритом в структуре имеется и графит. Структура половинчатого чугуна перлито-ледебуритная с графитом. В легированных или термически обработанных чугунах вместо перлита можно получить аустенит, мартенсит или бейнит. Половинчатым чугун называется потому, что вид излома у него представляет собой сочетание из светлых (белых) и темных (графитизированных) участков. Половинчатый чугун тверд и хрупок.
У отбеленных чугунных деталей поверхностные слои имеют структуру белого чугуна, а сердцевина - графитизированного. Между поверхностными слоями и сердцевиной находится зона из половинчатого чугуна.
Серый чугун - наиболее распространенный машиностроительный материал. Серый чугун маркируется буквами С - серый и Ч - чугун (ГОСТ 1412-79). После букв следуют цифры, указывающие среднюю величину вре-менного сопротивления при растяжении (кгс/мм ). Ферритные и феррито-перлитные чугуны (СЧ10, СЧ15) имеют при растяжении 10-15 кгс/мм . К перлитным чугунам относятся следующие марки СЧ18, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40. Главная отличительная особенность серого чугуна заключается в отсутствии недопустимого количества цементита и ледебурита и в том, что графит в плоскости шлифа имеет пластинчатую форму. Когда пластинки графита весьма дисперсны, то его называют точечным. Пластинчатые формы графита могут быть прямолинейными и различной степени завихренности. Для получения пластинчатой формы графита необязательны термообработка или специальное модифицирование. Устранение графитных включений нежелательных форм и сочетаний достигается модифицированием графитизирующими добавками. Вид излома серого чугуна в значительной степени зависит от количества графита: чем больше графита, тем темнее излом чугуна. Серому чугуну свойственно почти полное отсутствие относительного удлинения (до 0,5%) и весьма низкая ударная вязкость. Эта особенность серого чугуна является следствием весьма сильного ослабляющего действия пластинчатого графита на металлическую основу. Поскольку серый чугун, независимо от характера металлической основы, обладает весьма низкой пластичностью, то обычно стремятся к получению в ней перлитной металлической основы, так как перлит значительно прочнее и тверже феррита. Снижение количества перлита и повышение за счет этого количества феррита в структуре приводит к потере прочности и износостойкости без повышения пластичности. В легированных или термически обработанных чугунах вместо перлита может быть получен аустенит, мартенсит или бейнит. Включения вторичного и эвтектического цементита большей частью здесь нежелательны.
Принципиальное отличие высокопрочного чугуна заключается в шаровидной форме графита, которая получается путем введения в жидкий чугун специальных модификаторов [6, 7].
Шаровидная форма графита является наиболее благоприятной из всех известных форм. Шаровидный графит меньше других ослабляет металлическую основу. Металлическая основа этого чугуна обычно бывает в зависимости от требуемых свойств перлитной, перлито-ферритной и ферритной. Путем легирования и термической обработки можно также получить аустенит-ную, мартенситную или бейнитную основу. В структуре высокопрочного чугуна может допускаться некоторое количество пластинчатого графита при условии, что по своим свойствам он удовлетворяет требуемой марке. Допускаются также и неправильные (искаженные) формы шаровидного графита. Высокопрочный чугун маркируют буквами ВЧ, затем следуют цифры, которые показывают среднее значение временного сопротивления при растяже-нии (кгс/мм ). Главное отличие ковкого чугуна заключается в том, что графит в нем получается путем отжига белого чугуна и имеет хлопьевидную или шаровидную форму. Шаровидная форма получается при специальном модифицировании или при обезуглероживающем отжиге. Хлопьевидный графит бывает различной компактности и различной дисперсности, что значительно отражается на механических свойствах. Ковкий чугун производится не только с ферритной , но и с ферритно-перлитной металлической основой. Чугун с ферритной основой обладает наибольшей пластичностью, поэтому его чаще всего и применяют. Излом у ферритного ковкого чугуна черно-бархатистый и с увеличением количества перлита в структуре излом становится более светлым.
Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры показывают временное сопротивление при растяжении (кгс/мм2), вторые - относительное удлинение (%).
Классификация по свойствам. Классифицировать чугуны можно по механическим и специальным свойствам. По механическим свойствам чугунные отливки делят по твердости, прочности и пластичности. По твердости чугуны делят на мягкие (твердость 149НВ), средней твердости (149-И 97 НВ), повышенной твердости (1974-269 НВ), твердые (более 269 НВ), а по прочности - обыкновенной прочности (предел прочности ав 200 МПа), повышенной прочности (о"в=200-г380 МПа), высокой прочности (ав 400 МПа). По пластичности чугуны делят на непластичные (относительное удлинение 8 1%), малопластичные (5=1-г5%), пластичные (5=5-И0%), повышенной пластичности (5 10%). Обыкновенной прочности бывают только серые чугуны, а высокой прочности - ковкие чугуны и чугуны с шаровидным графитом.
Определение коэффициента линейного расширения
Для цементации изделий в твердом карбюризаторе рекомендуется применять готовый карбюризатор по ГОСТу 2407-64. В данном исследовании цементация проводилась в среде твердого карбюризатора - смеси древесного угля с углекислым барием (ВаС03) и углекислым кальцием (СаСОз).
Для упаковки изделий применяется металлическая тара различных размеров и форм, изготовляемая из стали, чугуна и жаропрочных сплавов. В данном случае - стальной ящик. Изделия упаковывались в ящик следующим образом: на дно ящика насыпали слой карбюризатора толщиной в 20-25 мм и слегка утрамбовывали его. Затем укладывали изделия, соблюдая расстояние между ними и от стенок ящика в 15-20 мм. Верхний ряд изделий следует покрывать слоем карбюризатора в 20-25 мм и окончательно плотно утрамбовать. На верхний слой карбюризатора клали стальную пластину и обмазывали огнеупорной глиной.
В случае дополнительной обработки водяным паром, уксусной кислотой и раствором карбамида (мочевины) для подачи жидкости, испаряемой при попадании в рабочее пространство, в предварительно просверленное отверстие в коробке вставляли стальную трубку, через которую поступала жидкость. Данное устройство работает по типу капельницы. Время выдержки ящиков в печи (с момента достижения температуры цементации, т.к. все подготовительные операции производились при комнатной температуре) ориентировочно определяли из расчета 0,15 мм в час при глубине слоя не менее 1,0 мм; 0,1 мм в час при глубине слоя цементации 1,0 мм).
Металлографический анализ проводили с помощью многофункционального оптического микроскопа «OPTON» с выходом (с помощью видеокамеры «SIMENS» на ПК «PENTIUM 200». Просмотр микроструктуры проводился как на микроскопе, так и на мониторе при увеличении х80, хЗОО, х750. Фотографирование микроструктуры в операционной оболочке «WINDOWS» проводили с помощью программы «TVTap». При количественном металлографичесом анализе использовался автоматический структурный анализатор «EPIQUANT» при увеличении х200. В отдельных случаях изучение микроструктуры и съемка ее на негативную пленку проводились на оптическом металлографическом микроскопе МБИ-6 при увеличении xl 10 и х260.
Микроструктура доменного (передельного) чугуна изучалась на шлифах, изготовленных по ГОСТ 6456-75 (укороченный способ мокрой шлифовки).
Процесс приготовления шлифов включает следующие основные операции: вырезку и подготовку поверхности, шлифование, механическое полирование и травление.
Для изучения микроструктуры слитка вырезают образцы таким образом, чтобы можно было определить изменение структуры по ряду поперечных сечений. Поверхность образца подвергают специальной обработке на наждаке - получают приблизительно плоскую поверхность. Далее поверхность образца шлифуют различного сорта наждачной бумагой, помещенной на плоском диске шлифовального станка. Шлифование заключается в срезании неровной поверхности абразивными частицами. Для мокрого шлифования используют водостойкую шлифовальную шкурку (ГОСТ 10054-75). Во время шлифования на каждой шкурке следует сохранять одно и то же положение образца, чтобы все риски на его поверхности были параллельны. При переходе к шкурке следующего номера направление шлифования меняют на 90 и проводят его до полного удаления всех рисок, образовавшихся во время предыдущей обработки.
Полирование служит для удаления мелких рисок, оставшихся после шлифования, и получения гладкой зеркальной поверхности. Процесс полирования обычно включает две - три операции: полирование на алмазных пастах, тонкое полирование механическим способом проводят на кругах, обтянутых тканью и непрерывно смачивающихся водной суспензией. В качестве абразива для таких суспензий применяют оксид алюминия или оксид хрома. Полирование заканчивается после того, как микрошлиф приобретает зеркальную поверхность.
Правильным критерием высокого качества поверхности микрошлифа является отсутствие на ней дефектов в виде рисок и царапин. Для выявления микроструктуры металлов и сплавов используют различные способы травления. Травление шлифов проводилось в 3%-ном растворе азотной кислоты в течение 10 секунд. Используемое оборудование: шлифовальный станок «Нерис» типа ЗЕ881, станок СШПМ-2.
Влияние обработки расплава полимером тетрафторэтилена
Обработка расплава 2% Si02. Обработка доменного чугуна твердыми веществами, в данном случае диоксидом кремния, вносит в изменение коэффициента линейного расширения две аномалии. Низкотемпературная аномалия в интервале 50-150С характеризуется следующими значениями КЛР а5о = 7,Ы0"6, град"1, осюо = 8,4-10"6, град"1. Высокотемпературной аномалии (250-400С) принадлежит максимальное значение коэффициента для этой обработки ссзоо = 17,3-10 6, град"1. В интервале температур 350-400С происходит резкое снижение коэффициента линейного расширения и незначительное его повышение в интервале от 400 до 450С.
Режимы термической обработки, примененные в данном случае (табл. 4.3.) способствовали исчезновению аномалий коэффициента линейного расширения. Изменение линейного расширения после старения (200С, 15 ч, охлаждение на воздухе) в интервале температур испытания монотонно от а5о = 6,8-10"6, град"1 до a4so = 14,3-10"6, град"1. Значение коэффициента линейного расширения после термической обработки по режиму 250С, 15ч практически не отличаются от значений КЛР после термообработки по режиму
На рис. 4.5 представлены те же результаты, которые свидетельствуют об уменьшении высокотемпературной аномалии КЛР доменного чугуна. Микроструктура всех изучавшихся образцов ледебуритная.
Термоциклирование расплава 1350 f 1550C. Термоциклирование проводилось 5 циклов, причем каждый цикл заключался в нагреве после расплавления до 1550С, выдержке 15-30 мин, охлаждении расплава до 1350С и выдержке в течение 15-30 мин. Изменение коэффициента линейного расширения после высокотемпературного циклирования характеризуется низкотемпературной аномалией и постепенным повышением КЛР в области высоких температур испытания. Результаты исследования представлены в табл. 4.4.
Низкотемпературная аномалия в интервале температур 50-150С характеризуется следующими значениями ос5о = 7,0-10"6, град"1, аюо = 8,1-10"6, град 1 и а!5о = 7,6-10", град" . Повышение коэффициента линейного расширения от 200 до 400С можно считать плавным (a2oo = 10,8-10"6, град"1; ос4оо= 15,3-10"6, град"1).
Изменение коэффициента после термической обработки в течение одного часа при 150С, охлаждение на воздухе, показано на рис. 4.6. Можно сделать вывод, что линейное расширение чугуна после такой термической обработки мало отличается от значений КЛР термически необработанного чугуна. Но стоит заметить, что значения а термообработанного чугуна в интервале 50-250С ниже (табл. 4.4). Увеличение продолжительности и температуры старения (200С, 10 ч) способствует изменению низкотемпературной аномалии и появлению высокотемпературной. Значение коэффициента при температуре испытания 50 и 150С повысилось (a5o = 7,9-10"6, град"1,
В данном интервале наблюдается монотонное увеличение КЛР от 13,2-10"6, до 14,9-10" , град" . С увеличением температуры испытания коэффициент снижается до 10,4-10"6, град"1.
Микроструктура термоциклированного (5 циклов 1350 - 1550С) чугуна после термической обработки представлена на рис. 4.7. Старение не способствовало изменению микроструктуры, для всех режимов обработки характерна ледебуритная структура, четко видны дендриты перлита.
Известно, что существует ряд инструментальных сталей, отличающихся повышением твердости при высоком отпуске [164]. Объяснения природы этого процесса дисперсионного твердения различные. С таким повышением твердости связано повышение работоспособности металлообрабатывающего инструмента. Поэтому в настоящем разделе для доменного чугуна без выделений графита, обработанного двумя крайними способами (термоциклическая обработка 1350 г»1550оС и обработка расплава сплавом Al-30%Si-20%РЬ), было изучено влияние трехкратного отпуска при 540-560С на КЛР. Предварительно сырые образцы подвергались закалке по режиму: нагрев до 900С, выдержка 1 ч, охлаждение в воду. После каждого последующего отпуска определялось значение КЛР. Установлено, что отпуск повышает КЛР в интервале температур испытания 50-200С (табл. 4.5).
Во всем температурном интервале испытания коэффициент линейного расширения, соответствующий трехкратному отпуску термоциклированного (5 циклов 1350 - 1550С) чугуна, изменяется монотонно от а5о = 10,3-10"6, град" до ос45о = 14,5-10"6, град"1. В промежутке от 300 до 450С значения коэффициента ниже, чем у чугуна без термообработки и выше, чем у закаленного чугуна (рис. 4.8).
На рис. 4.9. представлена микроструктура термоциклированного (5 циклов 1350-е- 1550С) чугуна до и после термической обработки. Термообработка приводит к измельчению структурных составляющих (цементита и перлита).
Практически аналогичное изменение КЛР происходит после 3-х кратного отпуска закаленного чугуна, который в расплавленном состоянии обрабатывался сплавом Al-30%Si-20%Pb в количестве 0,6% от веса расплава.
Закалочные аномалии, появившиеся после закалки чугуна, обработанного 0,6% спл. Al-30%Si-20%Pb, исчезли уже после одного часа отпуска при температуре 540-560С. На рис. 4.10 видно, что в интервале 50-200С коэффициент линейного расширения снижается, а от 200 до 450С начинает монотонно расти. Результаты исследования собраны в табл. 4.6.
Второй и третий час трехкратного отпуска чугуна, обработанного 0,6% спл. Al-30%Si-20%Pb, не внесли больших изменений в зависимость а от температуры. В отличие от первого часа отпуска коэффициент монотонно растет во всем интервале испытания (табл. 4.6).
Влияние температуры, времени и среды нагрева в интервале 900-1000С
Эта группа магнитоупорядоченных сплавов, обладающих очень малым коэффициентом теплового линейного расширения (КЛР). Инварные сплавы отличаются рядом необычных физических свойств: аномально большими значениями спонтанной магнитострикции и восприимчивости парапроцесса, большим влиянием давления/? на намагничиваемость Ми температуру Кюри (инварные сплавы обладают на порядок более высокими значениями производной dM/dp, чем, например, Ni или Fe), резким изменением намагниченности и температуры Кюри при изменении состава сплава, аномальной температурной зависимостью намагниченности насыщения и др.
Малые значения КЛР инварных сплавов обусловливают их широкое применение в технике и промышленности: в микроволновой технике, приборостроении, часовой промышленности, измерительной технике, вакуумной технике, автоматике, лазерной технике, кораблестроении и т.д. В то же время ферромагнитные инварные сплавы не могут быть использованы в качестве материалов для деталей, намагниченность которых может вредно сказаться на их работе (например, держателей головок в видеомагнитофонах, теневых масок в телевизионных приемниках).
В 1972 г. были открыты так называемые немагнитные сплавы - антиферромагнитные сплавы хрома с небольшими добавками железа и других элементов. Установлено также, что инварными свойствами обладают некоторые редкоземельные ферро- и ферримагнитные сплавы (например, ферри-магнитный сплав GdxYx_iCo2 в фазе Лавеса).
Малые значения КЛР инварных сплавов обусловлены тем, что обычно («дебаевское») тепловое расширение компенсируется у этих сплавов сокращением размеров, связанным с большой спонтанной магнитострикцией.
Отличие инварных сплавов от обычных магнитоупорядоченных сплавов, у которых аномалия теплового расширения проявляется в узкой области около точки Кюри (Нееля), заключается в том, что в них эти аномалии наблюдаются во всем температурном интервале существования магнитного упорядочения.
Аномальные физические свойства инварных сплавов возможно связаны с сосуществованием в этих сплавах ферромагнитно и антиферромагнитно упорядоченных спиновых подсистем. Температуры магнитных фазовых переходов каждой из этих подсистем в парамагнитную фазу различны. Из-за обменного взаимодействия между ферро- и антиферромагнитными подсистемами в инварных сплавах в температурном интервале между их точками переходов в парамагнитную фазу происходит следующее. Магнитная подсистема, имеющая более низкую температуру фазового перехода, не становится при переходе полностью разупорядоченной. Эта спиновая подсистема остается в некотором промежуточном состоянии между магнитоупорядочен-ным и полностью разупорядоченным состояниями, аналогичном состоянию однофазной магнитоупорядоченной системы вблизи температуры Кюри. С другой стороны, это же обменное взаимодействие приводит к тому, что другая спиновая подсистема, имеющая более высокую температуру фазового перехода, тоже находится в некотором частично разупорядоченном состоянии.
Сочетание этих факторов приводит к появлению в широком температурном интервале аномалий физических свойств, аналогично аномалиям, наблюдаемым в однофазовых магнитоупорядоченных системах только вблизи температуры Кюри или Нееля [184].
Сплавы, основной характеристикой которых является коэффициент линейного расширения (КЛР), в зависимости от величины КЛР делят на три группы: 1. сплавы с минимальным КЛР (36Н, 36НХ, 39Н, 32НКД, 35НКТ); 2. сплавы с низким и средним КЛР ( 29НК, 34НКД, 42Н, 38НКД, 52Н, 47НКР, 18ХТФ, 58Н); 3. немагнитные сплавы со средним КЛР (75НМ, 80НКБ; 70НВД). Сплавы с КЛР, близким к нулю (типа инвар), применяют в метрологии, приборостроении, электронике, для деталей с высокой стабильностью размеров в интервале температур от 4,2 до 420К.
Наиболее широко известны сплавы 36Н (инвар), имеющий КЛР равный 1-Ю"6, град 1 и 32НКД (суперинвар) с КЛР « (0,5-0,8)-10"6, град"1. Для деталей, работающих при низкой температуре и труб в криогенной технике, применяют сплавы 36НХ и 39Н, структура и свойства которых стабильны до температуры жидкого гелия. Для нагруженных деталей высокоточных приборов, а также для точных пружин применяют сплав 35НКТ, приобретающий в результате закалки и старения наряду с низким КЛР повышенные механические свойства (табл. 5.1).
