Желязо-въглеродни сплави - промишленост, производство
ТЕМА: ЖЕЛЯЗО-ВЪГЛЕРОДНИ СПЛАВИ
1 Диаграма на състоянието на желязо-въглеродни сплави
2 Производство на желязо
4 Производство на стомана
5 Въглеродни стомани
6 Легирани стомани
1 Диаграма на състоянието на желязо-въглеродни сплави
Сплавите желязо-въглерод включват сплави желязо-въглерод.
За да се произвеждат висококачествени детайли, машини и механизми и да се гарантира тяхната надеждност и дълготрайност при работа, е необходимо предварително да се познават свойствата на използваните материали. Например, за да се получат висококачествени отливки, е необходимо да се знае при каква температура се топи сплавта и при какво се втвърдява, какви са нейните леярски свойства. За извършване на топлинна обработка на части е необходимо да се знае как се променят свойствата на сплавта по време на нагряване и охлаждане в твърдо състояние, каква ще бъде структурата и свойствата на сплавта. Когато работите под налягане, е необходимо да знаете при какви температури тази или онази сплав се обработва по-добре под налягане, има най-висока пластичност.
За определяне на температурните интервали, видовете термична обработка и обработка под налягане, температурата на топене и изливането на сплавта във форми се използват специални графични изображения на състоянието и структурата на сплавите в зависимост от техния състав и температура на нагряване. Такива графични изображения се наричат диаграми на състоянието на сплавта.
Ориз. 1. Схема за конструиране на диаграма на състоянието на желязо-въглеродни сплави:
Критичната температура е температурата, при която настъпва промяна в структурата, а оттам и в свойствата на металите и сплавите. При критични температури кривите на охлаждане рязко променят своя характер.
Критичните точки се наричат точки на инфлексия 1, 2, 3, 4 накриви на охлаждане (виж фиг. 1). Критичните точки от един и същи тип (например точки /) на кривите на охлаждане са свързани с линия (AC линия). Комплексът от линии, които обединяват критичните точки на сплавите в зависимост от химичния състав на сплавта и нейната температура, е диаграма на състоянието. В табл. 1 показва критичните температури на критични точки 1, 2, 3, 4.
Структурни елементи на желязо-въглеродни сплави. По време на кристализацията на желязо-въглеродни сплави се образуват следните структурни компоненти: аустенит, ферит, цементит, перлит, ледебурит.
Ориз. 2. Диаграма на състоянието на сплави от желязо с въглерод: I. V1 - характерни сплави
Феритът е твърд разтвор на въглерод в a-желязо. Много малко въглерод се разтваря във ферит (до 0,02%). Техническото желязо има феритна структура (областта GPQ на диаграмата). Кристалната решетка на ферита е обемно-центриран куб. Феритът има висока пластичност и ниска твърдост (6 = 40,50%; HB80.120), поддава се добре на обработка със студено налягане (изтегляне, щамповане). Колкото повече ферит има в сплавите, толкова по-меки и пластични са те. На диаграмата феритът се обозначава с буквата F.
Цементитът - най-твърдият (HB800) и крехък (6 = 0 ° / o) компонент на желязо-въглеродни сплави - е химично съединение на желязо и въглерод (железен карбид Fe3C), съдържащо 6,67% въглерод. Кристалната решетка на циментита е сложна. Характеристика на циментита е, че в присъствието на значително количество определени елементи, като силиций Si, цементитът може изобщо да не се образува или да се разложи с образуването на въглерод - графит и желязо. Чисти цементитни сплави не се използват в практиката. Колкото повече цементит има в желязо-въглеродните сплави, толкова по-твърди и по-крехки са те.На диаграмата цементитът се обозначава с буквата С.
Перлитът е механична смес от ферит и цементит, съдържаща 0,83% въглерод. Перлитът се образува при рекристализация (разпадане) на аустенит при температура 723°C (линия Р/С на диаграмата). Разлагането на аустенит в перлит се нарича евтектоидна трансформация, а перлитът се нарича евтектоид. Перлитът присъства във всички желязо-въглеродни сплави при температури под 723 ° C, има висока якост (до 800 MPa) и твърдост (HB200). Колкото по-фини са включванията на ферит и цементит в перлита, толкова по-високи са показателите за неговите механични свойства. Следователно, колкото повече перлит е в сплавта, толкова по-високи са механичните свойства на сплавта. На диаграмата перлитът се обозначава с буквата P.
Практическо използване на диаграмата на състоянието. Желязо-въглеродните сплави, използвани в промишлеността, съдържат не повече от 4,5% въглерод. Желязните сплави с до 2% въглерод се наричат стомани, железните сплави с повече от 2% въглерод се наричат чугуни.
Линията ACD - линията на ликвидус - изобразява температурата, при която стоманите и чугуните започват да се втвърдяват. Над тази температура сплавта се топи напълно, т.е. преминава в течно състояние (обозначено с буквата Zh на диаграмата).
Линията AECF - линията на солидус - изобразява крайната температура на втвърдяване и началото на топенето на стомани и бели чугуни. Между линиите ликвидус и солидус сплавите са в течно-твърдо състояние.
За практическо използване на диаграмата, нека проследим структурните трансформации на характерни желязо-въглеродни сплави по време на тяхното охлаждане.
Сплав // (стоманата съдържа 0,83% въглерод) - Кристализацията настъпва между линиите на ликвидус AC и солидус AE, подобно на кристализацията на сплав / (виж фиг. 2). Кристализираният аустенит се охлажда до точка 5. При температура от 723 C, съответстваща на точка S,прекристализация на аустенит с образуване на перлит (евтектоидна трансформация). Стоманата с перлитна структура се нарича евтектоид (фиг. 3, в). Структурата на евтектоидната стомана при нормални температури е ламеларна, т.е. стоманената структура се състои от редуващи се плочи от ферит и цементит.
Ориз. 3. Микроструктури на типични желязо-въглеродни сплави:
a - ферит, b - хиперевтектоидна стомана, c - евтектоидна стомана, h - свръхевтектоидна стомана,
e - хипоевтектичен бял чугун, e - евтектичен бял чугун, g - свръхевтектичен бял чугун; F - ферит, L - перлит, C1 - първичен цементит, CII - вторичен цементит,
Сплав IV (чугунът съдържа повече от 2% въглерод). Над линията AC сплавта е в течно състояние. С понижаване на температурата първите включвания на аустенит започват да кристализират на AC линията. С по-нататъшно понижаване на температурата, количеството на кристализирал аустенит се увеличава през цялото време. Когато температурата достигне 1147 ° C (на линията EF), останалата част от течната стопилка незабавно кристализира с образуването на механична смес от аустенит и цементит, т.е. настъпва евтектична кристализация с образуването на евтектика - ледебурит. Започвайки от температура от 1147 до 723 °C, вторичният цементит CII се утаява от аустенит. При температура 723 ° C настъпва евтектоидна трансформация - от аустенит се образува перлит.
Сплав VI (чугунът съдържа повече от 4,3% въглерод). Над линията CD сплавта е в течно състояние. Циментитните включвания започват да кристализират по CD линията, която се нарича първичен цементит С. Тъй като температурата пада до 1147°C, количеството на първичния цементит се увеличава през цялото време. На линията EF при температура 1147°C настъпва евтектична кристализация (останалата течностстопилката кристализира с едновременното образуване на включвания от аустенит и цементит).