Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

Эти стали и сплавы подразделяют на несколько групп: магнитные с высоким электросопротивлением, с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, с особыми упругими и другими свойствами. Как правило, эти сплавы почти безуглеродистые и с низким содержанием других примесей.

Магнитомягкие и магнитотвёрдые стали и сплавы. По магнитным свойствам сплавы разделяют на магнитомягкие, магнитотвёрдые и немагнитные.

Известно, что кристаллические материалы состоят из доменов. Размеры доменов составляют 10^-3 ¸ 10^{-2 см, а толщина стенок между доменами – порядка
10} ¸ 100 нм. Каждый из доменов ориентирован в присущем ему направлении легкого намагничивания. При беспорядочном расположении доменов материал немагнитен. Приложение магнитного поля приводит к росту доменов и к ориентированию их в направлении приложенного поля

Процессом технического намагничивания называется создание в ферромагнетиках результирующей намагниченности, равной суммарному магнитному моменту атомов в единице объема. При этом в отличие от парамагнетиков, для которых характерна линейная связь между приложенным внешним полем и намагниченностью, для ферромагнетиков при приложении поля намагниченность из­меняется нелинейно, достигает насыщения, а затем, если изме­нить направление намагничивающего поля, то при поле, равном нулю, будет существовать остаточная намагниченность. При не­однократном изменении направления намагничивающего поля постепенно формируется замкнутая кривая (петля гистерезиса). Максимальная магнитная индукция называется индукцией насы­щения. Значение магнитной индукции, сохраняющееся после сня­тия приложенного магнитного поля, называется остаточной маг­нитной индукцией.

Существование явления остаточной магнитной индукции при­вело к созданию постоянных магнитов. Напряженность магнитно­го поля, при которой магнитная индукция сводится к нулю, на­зывается коэрцитивной силой. Произведение коэрцитивной силы на значение магнитной индукции представляет собой энергию перемагничивания.

Магнитомягкими называют материалы с высокой начальной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Для этих материа­лов характерна малая работа перемагничивания. К магнитотвёр­дым относят материалы с высокой коэрцитивной силой и малой начальной проницаемостью.

Магнитомягкие материалы используют в трансформаторах, генераторах, переключателях и других устройствах. К числу этих материалов относят чистое железо, трансформаторную и динамную стали (сплав железа с кремнием), альсиферы (сплавы Fе–Si–Аl). В приборостроении и слаботочной промышленности при­меняют пермаллои (Fе + 78,5 % Ni) и супермаллои (Fе –5 %, Мо – 79 %, Ni). Как правило, это однофазные материалы. Техническое железо марок Э, ЭА, ЭАА используют для магнитопроводов по­стоянного тока (электромагниты, реле и т.п.). Недостатком чис­того железа являются большие потери мощности из-за вихревых токов Фуко, возникающих при перемагничивании. Легирование железа кремнием (трансформаторная и динамная стали) значи­тельно повышает электросопротивление и снижает потери за счет вихревых токов. Кремний также повышает магнитную проницае­мость и индукцию, снижает коэрцитивную силу и потери на гис­терезис. Но при содержании кремния более 3 % повышается хруп­кость железа.

Электротехническую сталь выпускают в виде холоднокатаных и горячекатаных листов. Для увеличения размера зерна при рекри­сталлизации и выжигании углерода сталь подвергают отжигу при температуре 1100¸1200 °С (в вакууме, водороде или диссоцииро­ванном аммиаке). Динамную сталь выпускают в виде листа толщиной 0,5 мм, причем отжигом добиваются изотропной структу­ры. Трансформаторную сталь выпускают в виде текстурованных листов и ленты толщиной 0,35 мм.

Электротехнические стали маркируют буквой Э, первая цифра за которой соответствует содержанию кремния в процентах, вто­рая цифра – удельным потерям на перемагничивание (1 – нор­мальные удельные потери, 2 – пониженные, 3 – низкие), 0 в конце марки указывает, что сталь холоднокатаная текстурованная, 00 – холоднокатаная малотекстурованная. Примеры марки­ровки: горячекатаные стали Э11, Э12, Э21, Э32, Э41, Э42, Э43, холоднокатаные стали Э1100, Э310, Э3100 и т.д.

С ростом частоты тока увеличиваются потери. В этом случае используют ферриты – материалы с высоким электросопротив­лением. Их получают спеканием порошков Fе₂О₃ и оксидов двух­валентных металлов: ZnО, NiО, МnО и др. Применяют ферриты во многих приборах, в запоминающих устройствах ЭВМ. Их недо­статком является высокая твердость и хрупкость, низкая точка Кюри (ниже 200 °С) и малая индукция насыщения.

Для создания постоянных магнитов используют магнитно-твёр­дые материалы с широкой петлей гистерезиса (с увеличенной коэрцитивной силой). Одним из очень эффективных материалов, используемых для этих целей, является сплав типа альнико (51 % Fе; 8 % Аl; 14 % Ni; 24 % Со; 3 % Сu). Его высокая магнитная энер­гия достигается в результате закалки от температуры 1250¸1300 °С и последующего старения при температуре 600¸650 °С. Структура сплава после термической обработки состоит из ферромагнитной матрицы и вкрапленных в нее мелких магнитных частиц.

Сплавы с высоким электросопротивлением. В электротехничес­кой промышленности находят применение для сопротивлений-нагревателей и для сопротивлений в измерительных приборах.

Для изготовления сопротивлений-нагревателей обычно исполь­зуют сплавы, представляющие собой твердые растворы. Эти спла­вы легко деформируются в ленту и проволоку. Они обладают хо­рошей окалиностойкостью и достаточной прочностью при высо­ких температурах. Наиболее часто используют нихром Х20Н80, ферронихром Х15Н60, а также нихромы, легированные титаном (Х20Н80Т, Х20Н80Т3 и др.). Рабочие температуры этих сплавов находятся в пределах 1050¸1150 °С.

Разработаны также сплавы на основе железа – хромоалюминиевые стали ферритного класса Х13Ю4 (фехраль) и ОХ25Ю5А (хромаль}. Рабочая температура этих сплавов тем выше, чем боль­ше в сплаве алюминия и хрома. Стали Х13Ю14 и 1X17Ю5 рабо­тоспособны до 1000 °С, сталь 1Х25Ю5 – до 1150 °С, а сталь 0Х27Ю5А – до 1250 °С. В сталях, используемых для нагреватель­ных элементов, строго ограничивается содержание углерода (0,06¸0,12 %).

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного рас­ширения. Наиболее распространены сплавы Fе–Ni, у которых ко­эффициент линейного расширения при температурах –100 ¸ +100 °С с увеличением содержания никеля до 36 % резко уменьшается, а при более высоком содержании никеля вновь возрастает. Это свой­ство сплавов Fе–Ni широко используют в технике. Так, детали машин и приборов, которые должны сохранять постоянство раз­меров при нагреве до 100 °С и охлаждении до –100 °С (штриховые меры в метрологии, детали геодезических мерных приборов), из­готавливают из ферромагнитного сплава 36Н (около 0,05 % С и 36 % Ni, остальное Fе), получившего название инвар.

Для впаев в стеклянные или керамические корпуса или детали вакуумных приборов применяют сплавы Fе–Ni, легированные кобальтом или медью, имеющие равный со стеклом коэффици­ент линейного расширения. Для вакуумных впаев в молибденовые стекла применяют сплав 29НК, называемый коваром (29 % Ni, 18 % Со, остальное Fе). При впаивании сплава 29НК на его по­верхности образуется пленка оксидов, взаимодействующая со стек­лом, что приводит к образованию плотного сцепления (адгезии) между стеклом и сплавом.

Для изготовления деталей, спаиваемых со стеклом (например, в телевизионных кинескопах), применяют и более дешевые ферритные железохромистые сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ.

Глава 5. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, СВОЙСТВА И Принципы выбора чугунов и технологий их обработки
в машиностроении

Классификация чугунов

Сплавы железа с углеродом (обычно более 2,14 % С), в струк­туре которых содержится эвтектика, называют чугунами. Присут­ствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использо­вание исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чу­гуне может находиться в виде цементита или графита или одно­временно в виде цементита и графита*. Существуют различные классификации чугунов, что объясняется как разнообразием чугунов и их признаков, так и историческими причинами. Классифика­ция чугунов приведена в табл. 5.1.

Наиболее часто употребляемые классифи­кационные признаки: цвет излома, положение на диаграмме состояния желе­зо-углерод, форма включений графита, струк­тура металлической матрицы, химический состав, технология производства, механичес­кие и специальные свойства.

По цвету излома различают белые и серые, половинчатые и отбелённые чугуны. Это первая, неполная классификация чугунов. Благодаря изучению причин образования двух разных по цвету излома типов чугунов (часто в одной отливке) построены два варианта диаграммы состояния железо-углерод (рис. 5.1). Серые чугуны образуются в результате кристаллизации по стабильному варианту, а белые – по метастабилъному. Цвет излома чугунов зависит в серых чугунах от присутствия свободного углерода в форме графита, а в белых углерод присутствует только в связанной форме в виде цементита. Серые чугуны имеют очень хорошие литей­ные свойства, хорошо поддаются всем видам механической обработки. Белые чугуны обла­дают высокой твёрдостью, плохо обрабатыва­ются, имеют более низкие технологические свойства.

По положению на диаграмме состояния различают чугуны доэвтектические (с СЕ < 4,30 %), эвтектические и заэвтектические ( рис. ). Эти чугуны различаются в основном соотношением в их структуре аустенита и графита (или аустенита и цементита) в области температур выше точки эвтектоидного превращения и феррита и графита (или феррита и цементита) в области температур ниже точки эвтектоидно­го превращения. Чугуны различаются также содержанием углерода и некоторых других элементов.

По форме включений графита различают чугуны: с пластинчатым графитом, вермикулярным графитом, с шаровидным графитом, с хлопьевидным графитом.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие виды графитизированных чугунов: серые, высокопрочные и ковкие. В серых чугунах графитные включения (в плоскости шлифа) имеют пластинчатую форму. Эти включения напыляют поверхность излома и придают ему серый цвет, поэто­му такой сплав называют серым чугуном с пластинча­тым графитом. Серый чугун получают в результате естествен­ной кристаллизации из расплава определённого химического со­става.

В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму (высо­копрочный чугун с шаровидным графитом) или промежуточную форму между шаровидной и пластинчатой (высокопрочный чугун с вермикулярным графитом). Высокопрочные чугуны получают внепечной обработкой (модифицированием) расплава с целью полной или частичной сфероидизации графита.

 

Таблица 5.1

Классифика­ция и свойства чугунов

 

Тип чугуна	Графит*	Тип металлической матрицы	Показатели свойств			Способ получе­ния
			литейных	технологи­ческих	σв, МПа
Серый	Пластинчатый прямолинейный Пластинчатый завихренный Пластинчатый игольчатый Пластинчатый гнездообразный	Ф, Ф + П, П	Высокие	Высокие	150¸480	Все виды плавки, модифицирова­ние ферросилици­ем
С вермику-лярным графитом	Вермикулярный извилистый Вермикулярный утолщенный	Ф, П, Ф + П	Высокие	Высокие или сред­ние	320¸500	Модифицирова­ние лигатурами РЗМ
Ковкий или модифици­рованный	Нитевидный Хлопьевидный Компактный плотный	Ф или П	Понижен­ные	Высокие или сред­ние	300¸370 (ферритный), 450¸600 (перлитный)	Графитизирую-щий отжиг белого чугуна, модифи­цирование РЗМ
С шаро­видным графитом	Шаровидный разорванный Шаровидный звездообразный Шаровидный неправильный Шаровидный правильный	Ф, Ф + П, П	Высокие	Высокие или сред­ние	380¸1200	Модифицирова­ние магнием, кальцием, РЗМ

Рис. 5.1. Диаграмма состояния железо-углерод (сплошные линии – метастабилъный вариант, пунктирные – стабилъный): L – жидкость; Ф – феррит; А – аустенит; Г – графит; Г₁ – графит первичный; ГЭ – графит эвтектический; Г2 – графит вторичный

В ковких чугунах графитные включения тоже имеют компакт­ную форму, называемую хлопьевидной (ковкий чугун с хло­пьевидным графитом), но получают такой графит в результате графитизирующего отжига белого доэвтектического чугуна (часто такой графит называют углеродом отжига).

В половинчатых чугунах могут сочетаться карбиды различных видов и графитные включения разной геометрической формы. Получать чугуны с такой структурой можно как в результате есте­ственной кристаллизации из расплава, так и с помощью терми­ческой обработки отливок.

Чугуны с графитом являются прекрасным высокотехнологичным материалом для машиностроения. Во всех случаях, где по условиям работы физико-механические свойства чугуна соответствуют требованиям, предъявляемым к деталям, особенно если детали имеют сложную форму, следует при выборе материала отдавать предпочтение чугунам. В этом случае становится предопределённым и выбор одного из видов литейных технологий, поскольку чугун не подвергают обработке давлением. Расплав чугуна обладает хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к обра­зованию усадочных дефектов. Из него можно изготавливать отлив­ки самой сложной конфигурации с толщиной стенок
2¸500 мм.

В  ГОСТ 3443–87 приведена шкала оценки форм графита в чугунах, которая включает 13 различных форм от пластинчатой прямолинейной до шаровидной правильной (табл. 5.1). В действительности форм графита в чугунах больше, кроме того, в одной отливке часто встречаются участки структуры с различными формами.

Размеры включений графита оценивают по длине или диаметру этих включений. В ГОСТ 3443–87 приведены эталоны оценки размеров включений графита, а также предусмотрена оценка графита по распределению (девять форм) и по количеству.

Роль металлической матрицы усиливается по мере перехода от пластинчатой формы графита к шаровидной. Шаровидный графит в значительно меньшей степени, чем пластин­чатый, выполняет роль концентратора напря­жений и тем самым позволяет реализовать свойства матрицы на гораздо более высоком уровне.

По структуре металлической матрицы (ГОСТ 3443–87) различают чугуны: ферритные; с пластинчатым перлитом (Пт1); с зернис­тым перлитом (Пт2); трооститные; бейнитные; мартенситные.

Если в чугуне имеется металлическая основа различных типов, следует визуально оценивать долю (%) каждого типа и указывать эти доли при обозначении структуры. Такая оценка обязательна для ферритно-перлитных чугунов, и ГОСТ 3443–87 предусматривает девять баллов для оценки соотношения перли­та и феррита в чугуне. Дисперсность перлита оценивается пятью баллами. Кроме того, предусматривается оценка включений фосфидной эвтектики, цементита, ледебурита и разме­ров эвтектического зерна.

Полное описание структур чугуна состоит из слов или индексов, приведенных в ГОСТ.

Пример словесного описания чугуна: структура чугуна с равномерно распределен­ным пластинчатым графитом прямолинейной формы длиной
60¸120 мкм; перлит пластинча­тый в количестве 30¸60 % с межпластинчатым расстоянием 0,5 мкм; фосфидная эвтектика тройная, игольчатого строения, в виде отдель­ных включений площадью 2000¸10000 мкм² .

По химическому составу различают чугуны обычные и легированные. Классификация серых и других нелегированных чугунов приведена выше. Чаще всего выделяют чугуны низколегированные (до 3 % легирующих элементов), среднелегированные (3¸10 %) и высоколегированные (более 10 %).

Обычно легированные чугуны – это чугуны специального назначения со специальными свойствами.

Легированные чугуны подразделяют по назначению, химическому составу и структуре.

По назначению различают легированные чугуны жаропрочные, жаростойкие, износос­тойкие, коррозионно-стойкие, с повышенной ударной вязкостью, немагнитные и др. Эти свойства придает чугунам легирование нике­лем, хромом, кремнием, алюминием, марганцем, медью, молибденом, ванадием и некото­рыми другими элементами.

По составу легированные чугуны разделя­ют на алюминиевые, хромистые, никелевые, кремнистые, марганцовистые и др. Обычно состав этих чугунов сложный и в них прису­тствует более чем один легирующий элемент. Легированные чугуны классифицируют по элементу, который по содержанию преобладает в составе данного чугуна. Однако в литературе часто встречаются и названия "хромоникелевый", "хромо-никель-молибденовый" чугун и т.д., т.е. по содержанию преобладает более одного элемента.

Структура для легированных чугунов является в меньшей степени классификацион­ным признаком, чем для нелегированных, так как свойства легированных чугунов в большей степени зависят от их состава. Среди легиро­ванных чугунов встречаются чугуны с особой структурой матрицы – аустенитные, бейнит­ные, трооститные, мартенситные – и со структу­рой, похожей на структуру нелегированных чугунов, например алюминиевые чугуны с А1 ≤ 4 %. Последние чугуны ввиду сходства их структуры со структурой нелегированных чугунов иногда вообще не относят к легиро­ванным.

Алюминиевые чугуны (А1 ≤ 4 %) применяют чаще всего для получения отливок с повышен­ной кавитационной стойкостью, а также взамен серого и высокопрочного чугунов для отливок с повышенными требованиями к вязкости, ударной стойкости. Чугун с А1 > 4 % применяют как жаростойкий и износостойкий.

Хромистые и хромоникелевые легированные чугуны нашли наибольшее применение для изготовления износостойких, жаростойких и коррозионно-стойких изделий. С повышением содержания хрома и никеля возрастают специ­альные свойства чугуна. Содержание хрома в таких чугунах 0,5¸30 %, а никеля – 0,5¸5,0 %.

Никелевые чугуны обычно содержат и хром, но с преобладанием в составе никеля (0,3¸20 %). С увеличением содержания никеля структура чугуна постепенно изменяется, при определённом его содержании становится аустенитной.

Аустенит немагнитен, поэтому никелевые чугуны применяют как немагнитные, а также коррозионно-стойкие преимущественно в морской воде, жаропрочные и хладостойкие.

Кремнистый чугун содержит 4,5¸18,0 % кремния и применяется в основном как окалиностойкий, ростоустойчивый и коррозионно-стойкий.

Марганцовистый чугун содержит до 12 % марганца и отличается аустенитной или мартенситной структурой матрицы. Марганцовис­тые чугуны применяют в основном как антиф­рикционные и немагнитные.

По технологии производства различают чугуны ваграночной, индукционной, дуговой плавки, а также синтетические и модифициро­ванные, подвергнутые внепечной обработке. Технология производства различных типов чугунов в значительной степени зависит от параметров чугуна, температуры, наличия и состава примесей и неметаллических включе­ний в чугуне.

По механическим и специальным свойствам чугуны делят на серые, ковкие, высокопрочные и легированные со специальными свойствами.

Графитизация чугунов

Образование графита в железоуглеродистых сплавах из расплава может происходить только в узком интервале температур между линиями стабильной и метастабильной диаграмм системы Fе–С (рис. 5.1), т.е. в условиях малых переохлаждений или при очень малых скоростях охлаждения. Поэтому структура графитизированных чугунов формируется при медленном охлажде­нии расплава, тогда как образование структуры белого чугуна про­исходит при более быстром охлаждении.

Альтернативный способ образования графита состоит в том, что поскольку цементит является неустойчивым (метастабильным) соединени­ем, то при определённых условиях он распадается с образованием твёрдого раствора (аустенита или феррита) и графита. Для осуще­ствления процесса графитизации необходима диффузия углерода и само­диффузия железа. При комнатной температуре этот процесс прак­тически не протекает, но с повышением температуры резко уско­ряется.

Серые технические чугуны представляют собой сплавы Fе–С–Si, содержащие обычно 2,8¸3,8 % С, 1,4¸3,5 % Si и в качестве постоянных примесей Мn, Р и S. Поэтому при изучении структурообразования в техническом чугуне нужно пользоваться не диа­граммой состояния железо–углерод, а тройной диаграммой же­лезо–углерод–кремний. В отличие от сплава Fе–С в сплавах Fе–С–Si перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения протекают не при постоянной температуре, а в некотором интервале темпера­тур. Ускоренное охлаждение чугуна в реальных условиях вносит существенные отклонения от равновесной структуры. Структура чугуна в отливках зависит в первую очередь от химического соста­ва (содержания углерода и кремния) и скорости кристаллизации.

Кремний способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Изме­няя химический состав чугуна и скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна.

При недостаточном содержании в чугуне кремния и углерода в его структуре может кристаллизоваться ледебурит, т. е. вместо структуры серого чугуна может формироваться структура половинчато­го или даже белого чугуна. Однако в сплаве Fе–С–Si цементит и ледебурит – очень неустойчивые (метастабильные) составляющие и в результате термической активации (высокотемпературного отжига) распадаются с образованием графита (углерода отжига) по реакции Fе₃С → А + Г. Эта реакция лежит в основе процесса получения ковких чугунов. Таким образом, графитизация чугунов может происходить как в процессе их кристаллизации из расплава, так и в результате последующей термической обработки (графитизирующего отжига).

На процесс графитизации влияют не только кремний и угле­род (усиливающие склонность к графитизации, кремний также способствует образованию ферритной структуры в чугуне), но и другие элементы (легирующие и примеси). Медь и никель способ­ствуют графитизации первичного и эвтектического цементита, но повышают устойчивость эвтектоидного цементита (способствуют перлитизации структуры). Карбидообразующие элементы (Сг, Мn, V, W, Мо) повышают устойчивость всех видов цементита и спо­собствуют формированию структуры белых и половинчатых чугу­нов. В графитизированных чугунах они увеличивают количество перлита в структуре.

⇐ Предыдущая23242526272829303132Следующая ⇒

Поделиться: