Первинна кристалізація металів

Перехід металу з рідкого стану у твердий (кристалічний) називається кристалізацією. Це відбувається в умовах, коли система переходить до термодинамічно більш стійкого стану з меншою вільною енергією або термодинамічним потенціалом F, тобто коли вільна енергія кристала менша вільної енергії рідкої фази. Якщо перетворення відбувається з невеликою зміною об’єму, то F=Н-ТS, де Н - повна енергія системи; Т - абсолютна температура; S - ентропія.

При повільному охолодженні ця величина настільки мала, що кристалізація відбувається при температурі, близькій до рівноважної. Ступінь переохолодження залежить також від природи і чистоти металу. Чим чистіший рідкий метал, тим більше він схильний до переохолодження. При затвердінні дуже чистих металів ступінь переохолодження може досягати великих значень. Так, при затвердінні оловабула досягнута ∆Т=118 ^оС, а сурми - ∆Т=135 ^оС. Проте звичайно ступінь переохолодження не перевищує 10…30 ^о С.

Процес кристалізації починається з утворення кристалічних зародків (центрів кристалізації) і продовжується шляхом зростання їх числа і розмірів. При переохолодженні сплаву нижче температури Т_пл у багатьох ділянках рідкого сплаву утворюються стійкі, спроможні до росту кристалічні зародки - критичні (рис.2.3). Поки кристали ростуть вільно, вони мають правильну геометричну форму. Проте при їх взаємному зіткненні правильна форма порушується, тому що в цих ділянках ріст граней припиняється - він продовжується тільки в тих напрямках, де є вільний доступ для рідини. В результаті кристали після затвердіння одержують неправильну зовнішню форму, тому вони називаються кристалітами чи зернами.

За інших рівних умов швидкість процесу кристалізації і будова металу після затвердіння залежать від швидкості утворення зародків, швидкості їхнього зростання чи швидкості збільшення лінійних розмірів кристала, що зростає. Чим більша швидкість утворення зародків і чим більша швидкість їхнього росту, тим швидше відбувається процес кристалізації. При рівноважній температурі кристалізації (Т_пл) число зародків і швидкість росту рівні нулю, тому кристалізація не відбувається. При збільшенні ступеня переохолодження швидкість утворення зародків і швидкість їхнього росту зростають, при визначеному ступені переохолодження досягають максимуму, після чого вони знижуються. Це пояснюється тим, що з підвищенням ступеня переохолодження різниця вільних енергій рідкого і твердого металів зростає, а це сприяє підвищенню швидкості кристалізації, тобто швидкості утворення зародків і їхнього росту. Проте для утворення і росту зародків потрібно дифузійне переміщення атомів у рідкому металі. Тому при великих ступенях переохолодження (низьких температурах) внаслідок зменшення швидкості дифузії утворення зародків і їхній ріст утруднені. Внаслідок цього число зародків і швидкість їхнього росту зменшуються. Швидкість утворення зародків і лінійної швидкості росту кристалів визначають швидкість кристалізації. Чим більша швидкість утворення зародків і менша швидкість їхнього росту, тим менший і розмір кристала, що виростає з одного зародка (зерно), і отже, більш дрібнозернистою буде структура металу.

При невеликому ступені переохолодження ∆Т (малій швидкості охолодження) число зародків мале. У цих умовах буде отримана великозерниста структура. Зі збільшенням ступеня переохолодження швидкість утворення зародків зростає і розмір зерна зменшується.

Розмір зерна металу має значний вплив на механічні властивості, особливо на в'язкість. Розмір зерна залежить від ступеня переохолодження, температури нагрівання і розливання рідкого металу, його хімічного складу, особливо присутності у ньому сторонніх домішок. Вплив цих чинників дуже значний.

У технічних металах завжди є велика кількість різноманітних домішок (оксиди, неметалічні включення тощо), що за певних умов поліпшує утворення зародків. Зокрема, домішок повинен мати вищу температуру плавлення, ніж основний метал.

Модифікування - використання спеціально введених у рідкий метал домішок (модифікаторів) для одержання дрібного зерна. Ці домішки, практично не змінюючи хімічного складу сплаву, викликають при кристалізації подрібнення зерна, що поліпшує механічні властивості. Так, при модифікуванні магнієвих сплавів зерно зменшується від 200…300 до 10…20 мкм. При литті злитків і фасонних виливків модифікування найчастіше проводиться введенням у розплав добавок, які утворюють тугоплавкі з’єднання (карбіди, нітриди, оксиди), що кристалізуються в першу чергу. Виділяючись у вигляді дрібних часток, ці з’єднання служать зародками кристалів, які утворюються при затвердінні

Термічна обробка – це сукупність операцій нагріву, витримки та охолодження сплаву, які проводяться за певним режимом, з метою зміни його будови та набуття ним необхідних властивостей.

Основними параметрами, які впливають на результати термічної обробки, є температура і час. Основою термічної обробки є зміна структурно-фазового складу і дислокаційної структури сплаву, що може бути досягнуто при наявності у ньому поліморфних перетворень або змінної взаємної розчинності його компонентів.Термічна обробка дає можливість перетворювати сталь, яка має невелику твердість і міцність, у високоміцну і навпаки, сталь, що має високу твердість і тому важко піддається обробці – в м’яку, пластичну, яка має добру оброблюваність. Підвищуючи міцність і твердість сплаву, термічна обробка дозволяє зменшувати розміри і, відповідно масу деталей, знижувати металомісткість машин і енерговитрати при збереженні експлуатаційної надійності і довговічності деталей машин.

За класифікацією Бочвара А.А. розрізняють такі чотири основні види термічної обробки:

1. відпал І-го роду;

2. відпал ІІ-го роду;

3. гартування;

4. відпуск.

Відпал першого роду – це термічна операція нагріву металу, що має не стійкий стан після попередньої обробки, з метою надання йому більш стійкого стану. Його проведення не пов’язано з фазовими перетвореннями в металі. Тому такій обробці можна піддавати будь-які метали і сплави.

Відпал другого роду – це вид термічної обробки, який складається з нагріву вище температури фазових перетворень у твердому стані і дуже повільного охолодження з метою отримання структурно стійкого (рівноважного) стану.

Гартування – це термічна обробка, що складається з нагріву металу вище температури фазових перетворень у твердому стані, витримки та достатньо швидкого охолодження з метою отримання структурно нестійкого стану сплаву (нерівноважної структури).

Відпуск – це термічна операція, що складається з нагріву загартованої сталі нижче температури фазових перетворень з метою отримання більш стійкого структурного стану сплаву.

Крім цих чотирьох основних видів термічної обробки існують ще два способи, сутність яких представляють собою поєднання термічної обробки з металургією або механічною технологією. До цих способів належать хіміко-термічна і термомеханічна обробки.

Хіміко-термічна обробка (ХТО) служить для зміни хімічного складу, структури і властивостей поверхневого шару сталі. Окрім поверхневого зміцнення, ХТО підвищує корозійну стійкість, жаростійкість і деякі інші властивості. Особливістю ХТО є те, що у сталі відбуваються не тільки фазові перетворення, пов’язані з її нагріванням і охолодженням, але і хімічні реакції, які змінюють склад поверхневого шару деталі.

При проведенні ХТО деталь поміщають у середовище, збагачене елементами, якими передбачається насичення поверхневого шару (вуглецем, азотом, хромом, алюмінієм, кремнієм) і нагрівають до певної температури. При цьому інтенсивно відбуваються такі процеси: дисоціація – розпад молекул на атоми відповідного елемента; адсорбція – поглинання поверхневим шаром металу атомів; дифузія – проникнення атомів у глибину металу. Умовою цього є висока температура нагрівання і великий час витримування при ній.

Одним з найпоширеніших видів ХТО є цементація, яку застосовують для вуглецевих і легованих сталей з малим вмістом вуглецю (до 0,3 %). При цьому поверхневий шар за рахунок насичення вуглецем підвищує твердість і стійкість до зношення, а серцевина залишається в’язкою.

Є два види цементації – у твердому карбюризаторі та газова.

При цементації у твердому карбюризаторі цементуючим середовищем є багатий на вуглець карбюризатор – деревне вугілля, змішане у певній пропорції з речовинами, які активізують процес дисоціації (ВаСО₃, Nа₂СО_з). Деталі завантажують у металевий ящик і нагрівають. При цьому кисень повітря взаємодіє з вуглецем карбюризатора:

С+О₂↔СО₂ (7.1)

СО₂ +С↔2СО (7.2)

2СО↔СО₂+С_{атомарний} (7.3)

Перевагою цементації у твердому карбюризаторі є те, що не потрібно спеціальне устаткування – вона може відбуватися у звичайних термічних печах. Основні недоліки – довга тривалість і низька економічність процесу. Тому у промислових умовах широко застосовують газову цементацію, коли карбюризаторами є гази – природні (метан, оксид вуглецю, бутан тощо) і штучні (продукти термічного розкладу різноманітних нафтопродуктів). Цементацію здійснють у камерах, через які пропускається з певною швидкістю газ. При нагріванні до 900…930 ⁰С відбуваються такі реакції:

СН₄=2Н₂+ С_{атомарний} (7.4)

2СО↔СО₂+С_{атомарний} (7.5)

Після цементації для забезпечення потрібної твердості деталі піддають термічній обробці – гартуванню та низькому відпусканню.

ЛЕГОВАНІ СТАЛІ

Легованими називають сталі, у складі яких є легуючі елементи. А легуючими називають елементи, які спеціально вводять в сталь для отримання певних властивостей. Основними легуючими елементами в сталях є: Mn, Si, Cr, Ni, Mo, Co, Cu, Ti, V, Nb, Al, B, W. Легуючі елементи позначають такими літерами: А - азот, Б - ніобій, В - вольфрам, Г - марганець, Д - мідь, Е - селен, К - кобальт, Н - нікель, М - молібден, П - фосфор, Р - бор, С - кремній, Т - титан, Ф - ванадій, Х - хром, Ц - цирконій, Ч - рідкоземельні метали (РЗМ), Ю - алюміній.

Числа, що стоять за літерами, вказують приблизний (середній) вміст легуючого елемента, вказаного цими літерами в цілих відсотках. Якщо вміст легуючого елемента близько 1 % або менше, то цифра відсутня. Літера А вказує: на наявність в сталі азоту, якщо вона стоїть всередині марки; якщо на початку (А12) - автоматна, в кінці марки - високоякісна. Наприклад, сталь 20ХНЗА - конструкційна, легована, високоякісна (А) сталь, яка містить ~0,2 % С, ~1 % Сr, 3 % Ni; сталь 15Х17АГ14 - нержавіюча сталь, що містить £0,15 % С, ~17 % Сr, <1 % N, ~14 % Mn; сталь 4ХВ2С - інструментальна сталь, якісна, що містить ~0,4 % С, ~ 1 % Сr, 2 % W, ~1 % Si; сталь Х6ВФ - інструментальна сталь, якісна, що містить ³1 % С, ~6 % Cr, ~1 % W, <1 % V.

Для деяких груп сталей застосовують додаткові позначення. Марки кулькопідшипникових сталей починаються з літери Ш, швидкорізальних - з літери Р (від слова „рапід” - швидкий), магнітнотвердих - з літери Е, електротехнічних - з літери Э. Вміст вуглецю у цих марках не вказується. Наприклад, сталь ШХ15СГ - це кулькопідшипникова сталь, що містить ~1,5 % Cr, ~1 % Si, ~1 % Mn, тобто число, що стоїть за літерою Х вказує середній вміст хрому в десятих частках відсотка; сталь Р6М5 - це швидкорізальна сталь, що містить ~6 % W і ~5 % Мо, тобто число, яке стоїть за літерою Р вказує середній вміст вольфраму в цілих відсотках.

Ливарне виробництво - галузь машинобудування, яка займається виготовленням фасонних заготовок (деталей) заливанням розплавленого металу в форму, порожнина якої має конфігурацію заготовки (деталі). При охолодженні метал твердіє і в твердому стані зберігає конфігурацію тієї порожнини, в яку він був залитий. Кінцеву продукцію називають виливком. Литтям отримують різні констукції виливок масою від декількох грамів до 300 т, довжиною від декількох міліметрів до 20 м. Найпоширеніший спосіб лиття, схема якого наведена на рис.8.1 - у разові піщано-глиняні форми. Ним виготовляють більше 75...80% литва.

Поиск по сайту: