Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА
А.В. ЧЕРНОГЛАЗОВА, А.В. БЕЛЯЕВ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Практикум
Казань 2013
Лабораторная работа 1
Микроструктура углеродистых сталей и чугунов
в равновесном состоянии
Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – составляют до 90% металлофонда в экономике России, являясь основными конструкционными материалами. Фазовый состав и структура промышленных сплавов, полученных при медленном охлажде нии до комнатной температуры, хорошо согласуются с диаграм мой состояния «железо – цементит», создателем которой является Д.К. Чернов. Данные диаграмм состояния широко используются для выбора оптимальных режимов про изводства и термообработки железоуглеродистых сплавов.
Цель работы – изучение диаграммы состояния «железо – цементит», анализ превращений, происходящих в сплавах этой системы при образовании фаз и структур, и опре деление состава и весового количества фаз при заданных темпе ратурах.
Основы теории
Основными компонентами сталей и чугунов являются железо и углерод. Железо – металл серого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Температура плавления железа 1539°С. Же лезо имеет две полиморфные модификации: α-железо, существую щее при температуре ниже 910°С; γ-железо, существующее в ин тервале температур 910– 1392°С; оно парамагнитно.
Кристаллическая решетка α-железа объемно-центрированная кубическая с периодом решетки 0,286 нм. До температуры 768°С железо ферромагнитно. Температуру 768°С, соответствующую переходу α-железа из ферромагнитного состояния в парамагнит ное, называют точкой Кюри. Кристаллическая решетка γ-железа гранецентрированная кубическая.
Углерод – неметаллический элемент, атомный номер 6, плот ность 2,5 г/см3, температура плавления 3 500 °С. Углерод раство рим в железе в жидком и твердом состоянии, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высоко углеродистых сплавах – в виде графита.
Углерод может находиться в равновесии с жидкой фазой и с твердыми растворами на основе железа в виде цементита (метастабильное равновесие) или графита (стабильное равновесие) в зави симости от внешних условий. Это обстоятельство определяет два варианта диаграммы состояния «железо – углерод» (рис.2.1). Большее практическое значение имеет метастабильная диаграм ма состояния. С помощью этой диаграммы объясняют не только превращения, происходящие в сталях и белых чугунах. Она яв ляется основой для выбора оптимальных режимов термообра ботки железоуглеродистых сплавов.
Рис. 2.1. Диаграмма состояния «железо – углерод»:
1 – метастабильная система; 2 – стабильная система
Наряду с основными компонентами в этих сплавах имеются постоянные технологические примеси, которые могут оказывать существенное влияние на их свойства и формирование струк туры.
В системе Fe – Fe3C различают следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цемен тит (в том числе первичный, вторичный и третичный).
К структурным составляющим в системе Fe – Fe3C, наряду с перечисленными фазами, относятся ледебурит и перлит.
Анализ фазового состава диаграммы состояния «железо – цементит»
Рассмотрим области диаграммы состояния «железо – цемен тит», которые отвечают равновесным состояниям сплавов систе мы, и основные фазовые превращения (см. рис.2.1).
Однофазные области диаграммы состояния Fe – Fe3C: жидкая фаза L – расплавы выше линии ликвидуса ABCD; феррит Ф: высокотемпературная область – левее линии AHN; низкотемпературная область – левее линии GPQ; аустенит А – область ограничена линией NJESG; цементит Ц – вертикальная линия DFKL.
В двухфазных областях в равновесии находятся: жидкий раствор и кристаллы феррита (АВН); кристаллы феррита и аустенита (HJN и GSP); жидкий раствор и кристаллы аустенита (JBCE); жидкий раствор и цементит (CDF); кристаллы аустенита и цементита (SECFK); кристаллы феррита и цементита (QPSKL).
Трехфазным равновесным состояниям сплавов отвечают гори зонтальные линии на диаграмме состояния:
- при t = 1499 °C (линия HJB) в сплавах с концентрацией уг лерода от 0,1 до 0,51% происходит перитектическое превраще ние в результате взаимодействия кристаллов феррита с жидким раствором:
L(B)+ Ф(Н) → A(J) - аустенит; (2.1)
- при t = 1147 °С (линия ECF) в сплавах с концентрацией уг лерода от 2,14 до 6,67% происходит эвтектическое превращение:
L(c) → A(E) + Ц – ледебурит; (2.2)
- при t = 727 °С (линия PSK) в сплавах системы с концентраци ей углерода более 0,02% происходит эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механичес кую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита:
A{S) → Ф(р)+ Ц – перлит. (2.3)
Составы и количества фаз в системе «железо – цементит» можно определить на коноде с помощью правила отрезков. Структурный качественный и количественный состав сплавов определяется также с помощью коноды, однако ее концы дол жны быть ограничены линиями соответствующих структурных составляющих.
Анализ структурного состава
Формирование структур в сплавах можно изучить, анализи руя по диаграмме процессы, происходящие в них при охлажде нии или нагревании. Рассмотрим области диаграммы, которые отвечают равновесным состояниям сплавов системы.
В процессе эвтектического превращения жидкий раствор зат вердевает в виде ледебурита. Во всех сплавах системы с концен трацией углерода более 0,02% при температуре 727 °С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, причиной которого явля ется полиморфное превращение Fe → Feα. В результате эвтектоидного превращения происходит распад аустенита, приводящий к образованию перлита. Цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся в результате изменения растворимости при пониже нии температуры из жидкой фазы, называют первичным (Ц1), из аустенита – вторичным (Ц2), а из феррита – третичным (Ц3).
Проследим за формированием структуры сталей с содержа нием углерода 1,5% при их медленном охлаждении, начиная с температуры 1600 °С. Критические точки, соответствующие тем пературам превращений, показаны на фигуративных линиях рис. 2.2.
Рис. 2.2. Схема для изучения превращений, происходящих в стали с содер жанием углерода 1,5% при медленном охлаждении: а – диаграмма состояния; б – кривая кристаллизации сплава
Схема структур и состав фаз, а также структурных составляю щих для рассматриваемого случая приведены в табл.2.1.
До температуры 1450 °С (точка 1) заэвтектоидная сталь с 1,5% углерода находится в жидком состоянии. При t = 1450 °C начинается процесс кристаллизации. В интервале температур 1450-1250 °С (точки 2, 3) в сплаве сосуществуют две фазы: жидкий раствор и аустенит. В интервале температур 1250 – 950 °С (точки 3, 4) сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений; состав спла ва представлен аустенитом. При охлаждении сплава ниже 950 °С (точка 4) аустенит с концентрацией углерода 1,5% становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диф фундирует к их границам и здесь выделяется в виде цементита вторичного.
Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 950 до 727 °С (точки 4, 5) изменяется согласно линии ES от точки 4 к точке S:
Таблица 2.1.
Схема структур и состав фаз, а также структурных составляющих для структурного анализа диаграммы состояния Fe – Fe3C (заэвтектоидная сталь; 1,5% С)
|
Номер области |
Схема структуры |
Состав фаз и структурных составляющих |
|
1-2 |
t > 1450 °С L = 100% (жидкий раствор) |
|
|
2-3 |
T = 1450∙∙∙1250 °С L + A (жидкий раствор + аустенит) |
|
|
3-4 |
t = 1250∙∙∙950 оС А = 100% (аустенит) |
|
|
4-5 |
t = 950∙∙∙727 оС А + ЦII (аустенит + цементит вторичный) |
|
|
5-6 |
t = 727∙∙∙600 °С П + ЦII + ЦIII (перлит + цементит вторичный + цементит третичный) |
|
|
Примечание. Цементит третичный визуально, как правило, не идентифицируется |
При температуре 727 °С (точка 5) в сплаве происходит эвтектоидное превращение, в результате которого образуется перлит. Ниже температуры 727 °С растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного (ЦIII) (точ ки 5, 6).
В качестве примера рассмотрим расчет весового количества структурных составляющих и фаз с помощью правила отрезков в заэвтектоидной стали с 1,5% углерода при 600 °С.
Содержания структурных составляющих определяются после довательно по мере их образования в процессе охлаждения сплава с применением правила отрезков для двух сосуществую щих фаз или структурных составляющих по коноде abc6def. (см. рис. 2.2.). Ве личину отрезков будем измерять в процентах углерода. Считаем, что концентрация в точке а 0,01% углерода.
Определим фазовый состав в точке 6:
Количество структурных составляющих в точке 6:
Учитывая некоторые особенности в использовании коноды для области диаграммы, где находятся три структурные состав ляющие, рассмотрим расчет для такого случая на примере точки 7 (содержание углерода 4% при температуре 600 °С):
Проверку осуществляем сложением количества (%) составляющих фаз. Сумма должна быть равна 100%.
Углеродистые стали
На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема производственного проката. Это связано с тем, что эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием, давление и свариваемостью. Но они менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения высокой прочности их следует подвергать отпуску при более низких температурах, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность.
Главный недостаток углеродистых сталей – небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой.. Крупные детали изготавливают из сталей без термического упрочнения – в горячекатаном или нормализованном состояниях, что требует увеличения металлоемкости конструкций.
По статической прочности углеродистые стали относятся, преимущественно к сталям нормальной прочности.
Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные; инструментальные углеродистые стали производят качественными и высококачественными.
Принципы классификации углеродистых сталей
Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называются сталями, а выше 2,14% – чугунами.
Наиболее общими признаками классификации сталей являются: концентрация углерода, назначение, структура, степень раскисления, категория качества, свариваемость.
По концентрации углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (С < 0,3%), среднеуглеродистые (0,3% < C < 0,7%) и высокоуглеродистые (С > 0,7%).
По назначению стали классифицируются на конструкционные и инструментальные.
Конструкционные углеродистые стали подразделяются на строительные, содержащие до 0,3 ÷ 0,37% углерода, и машиностроительные (до 0,8% углерода).
Эти стали составляют наиболее обширную группу. Они предназначены для изготовления строительных сооружений, деталей машин и механизмов в машиностроении и приборостроении.
Инструментальными называются стали, применяемые для обработки материалов резанием, холодной штамповкой и горячим деформированием, а также для изготовления измерительного инструмента. Они содержат от 0,7 до 1,3% углерода и обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.
По структуре в равновесном состоянии (по диаграмме Fе – С) стали классифицируются на:
По степени раскисления и характеру затвердевания слитков стали подразделяются на: спокойные (СП), полуспокойные (ПС) и кипящие (КП).
Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации (ковке, штамповке, гибке и т.д.).
Спокойные стали раскисляются кремнием, марганцем и алюминием. Они содержат наименьшее количество кислорода, и слитки спокойно затвердевают без газовыделения.
Кипящие стали раскисляются только марганцем. В них содержится повышенное содержание кислорода, который при затвердевании слитка частично взаимодействует с углеродом, удаляется в виде СО, создавая эффект кипения. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si ≤ 0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.
Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
По категории качества различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные.
Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Основным показателем категории качества стали является предельное содержание фосфора и серы (табл.2).
По свариваемости углеродистые стали классифицируются на стали, обладающие высокой и затрудненной свариваемостью.
Свариваемость – способность получения сварного соединения, равнопрочного с основным металлом.
Для получения качественного сварного соединения важным является отсутствие в шве пор, непроваров и трещин. Характеристикой свариваемости данного металла является возможность сварки различными способами и простота технологии.
Свариваемость стали тем выше, чем меньше в ней углерода и легирующих элементов. Влияние углерода является определяющим. Углерод расширяет интервал кристаллизации и увеличивает склонность к образованию горячих трещин, которая тем больше, чем дольше металл шва находится в жидком состоянии. Причина холодных трещин – возникающие внутренние напряжения при структурных превращениях, особенно мартенситном, в результате местной подкалки.
В связи с этим, хорошей свариваемостью обладают стали, содержащие до 0,25% С. (К ним относятся углеродистые стали Ст 0…Ст4; стали 08; 10; 15; 20; 25) от 0,25 до 0,35% С – удовлетворительно свариваемые.
При сварке углеродистых сталей, содержащих более 0,35% С, возникают затруднения из-за возможности закалки и охрупчивания околошовной зоны. В этом случае требуется применение специальных технологических приемов – предварительный подогрев кромок свариваемых деталей до 600ºС, снижение скорости охлаждения после сварки, применение защитных атмосфер и проведение последующей термической обработки, снижающей внутренние напряжения. Стали считаются ограниченно свариваемыми. При содержании углерода более 0,35%.
Классификация по структуре в равновесном состоянии
Таблица 1. Категории качества углеродистой стали
|
Категория качества стали |
Р,% не более |
S,% не более |
Способ выплавки стали |
|
Обыкновенного качества |
0,04 |
0,05 |
Конвертерный |
|
Качественные |
0,035 |
0,035 |
Мартеновский |
|
Высококачественные |
0,025 |
0,025 |
Электродуговой |
Углеродистые стали обыкновенного качества
Для сталей обыкновенного качества марки, химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380 – 94. металлургические заводы выпускают эти стали в виде проката (прутков, листов, уголков, швейлеров, труб и т.д.). В них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, т.к. их выплавляют по нормам массовой технологии.
Стали маркируются сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением в спокойных сталях букв «сп», полуспокойных – «пс», в кипящих – «кп». Например, Ст 3сп; Ст 3пс; Ст 3кп. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст 1 – Ст 6; кипящими – Ст 1 – Ст 4. Сталь Ст 0 по степени раскисления не разделяют, в ней указывают только содержание C, S, P (табл. Х). В остальных марках регламентировано содержание С, Mn, Si, S, P, As.
Для всех сталей, кроме СТО, справедлива формула: С(%) ≈ 0,07 х номер марки. Например: Ст 3 содержит С ≈ 0,07 ∙ 3 ≈ 0,21% (фактически 0,14 – 0,22%). В сталях Ст 3Гпс, Ст 5Гпс буква «Г» указывает повышенное содержание марганца.
Механические свойства горячекатаных сталей обыкновенного качества регламентируются ГОСТ 535 – 88.
Таблица 2 . Механические свойства углеродистых сталей
|
Марка стали |
в, МПа |
0,2, МПа |
, % |
KCU20С, МДж/м2 |
|
не менее |
||||
|
Ст0 |
310 |
- |
20 |
- |
|
Ст1 |
320 – 420 |
- |
31 |
- |
|
Ст2 |
340 – 440 |
- |
29 |
0,9 – 1,1 |
|
Ст3 |
380 – 490 |
255 |
26 |
0,7 – 1,0 |
|
Ст4 |
410 – 530 |
265 |
24 |
- |
|
Ст5 |
490 – 630 |
295 |
20 |
- |
|
Ст6 |
590 |
315 |
15 |
- |
Примечание. В кипящих сталях СТ1кп – Ст4кп значения в на 10 – 20 МПа, 0,2 на 10 МПа меньше, а на 1% больше, чем в приведенных сталях тех же марок.
Качественные стали
Для этих сталей характерным является более низкое, чем у сталей обыкновенного качества, содержание вредных примесей и неметаллических включений. Металлургическими заводами они поставляются в виде равнопрофильного сортового проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Качественные углеродистые стали по назначению подразделяются на конструкционные и инструментальные.
Конструкционные углеродистые стали предназначены для изготовления деталей конструкций, маркируются словом «Сталь» и двухзначными числами 05, 08, 10, 15, 20, …, 85. Цифра означает среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050 – 88). Например, Сталь 10, содержит в среднем 0,1% С, а Сталь 40 – 0,4% С и т.д.
Прокат из спокойных сталей маркируют без индекса «сп», а полуспокойные и кипящие с индексами соответственно «пс» и «кп».
Химический состав и механические свойства после нормализации качественных конструкционных сталей приведены в таблице 3 (ГОСТ 1050 – 88).
Полуспокойными и кипящими производят малоуглеродистые стали марок 08, 10, 15, 20. В отличие от спокойных, кипящие стали практически не содержат кремния (0,07%), в полуспокойных его количество ограничено (0,17%). В соответствии с ГОСТ 1050 – 88 качественные стали производят и поставляют (по заказу):
без термической обработки (горячекатаными и кованными);
термически обработанными;
нагартованными.
Механические свойства гарантируются после нормализации (см. табл.3), а также по заказу потребителя.
Таблица 3.
|
Марка стали |
Массовая доля углерода, % |
Механические свойства после нормализации |
НВ, Мпа после отжига |
KCU, МДж/м2 после термо- улучше- ния |
||||
|
σВ |
σ0,2 |
δ |
ψ |
НВ |
||||
|
Мпа |
% |
Мпа |
||||||
|
08 |
0,05 - 0,12 |
320 |
200 |
33 |
60 |
1310 |
- |
- |
|
10 |
0,07 - 0,14 |
340 |
210 |
31 |
55 |
1430 |
- |
- |
|
15 |
0,12 - 0,19 |
380 |
230 |
27 |
55 |
1490 |
- |
- |
|
20 |
0,17 - 0,24 |
420 |
250 |
25 |
55 |
1630 |
- |
- |
|
25 |
0,22 - 0,30 |
460 |
280 |
23 |
50 |
1700 |
- |
0,9 |
|
30 |
0,27 - 0,35 |
500 |
300 |
21 |
50 |
1790 |
- |
0,8 |
|
35 |
0,32 - 0,40 |
540 |
320 |
20 |
45 |
2070 |
- |
0,7 |
|
40 |
0,37 - 0,45 |
580 |
340 |
19 |
45 |
2170 |
1870 |
0,6 |
|
45 |
0,42 - 0,50 |
610 |
360 |
16 |
40 |
2290 |
1970 |
0,5 |
|
50 |
0,47 - 0,55 |
640 |
380 |
14 |
40 |
2410 |
2070 |
0,4 |
|
55 |
0,52 - 0,60 |
660 |
390 |
13 |
35 |
2550 |
2170 |
- |
|
60 |
0,57 - 0,65 |
690 |
410 |
12 |
35 |
2550 |
2290 |
- |
|
65 |
0,62 - 0,70 |
710 |
420 |
10 |
30 |
2550 |
2290 |
- |
|
70 |
0,67 - 0,75 |
730 |
430 |
9 |
30 |
2690 |
2290 |
- |
|
75 |
0,72 - 0,80 |
1100 |
900 |
7 |
30 |
2850 |
2410 |
- |
|
80 |
0,77 - 0,85 |
1100 |
950 |
6 |
30 |
2850 |
2410 |
- |
|
85 |
0,82 - 0,90 |
1500 |
1000 |
6 |
30 |
3020 |
2550 |
- |
|
60Г |
0,57 - 0,65 |
710 |
420 |
11 |
35 |
2690 |
2290 |
- |
|
65Г |
0,62 - 0,70 |
750 |
440 |
9 |
- |
2850 |
2290 |
- |
|
70Г |
0,67 - 0,75 |
800 |
460 |
8 |
- |
2850 |
2290 |
- |
Примечания:
1.В сталях марок 05…85 допускается Mn ≤ 0,8% (кроме сталей 60Г, 65Г и 70Г, в которых Mn ≤ 1,2%), Si ≤ 0,3%, Р ≤ 0,035%, Ni ≤ 0,25%, S ≤ 0,04, Cr ≤ 0,25%, Cu ≤ 0,25% и As ≤ 0,008%.
2.Нормы механических свойств относятся к стальным заготовкам и прокату с поперечным сечением ≤ 80 мм.
3.Механические свойства для сталей 75, 80, 85 гарантируются после закалки и среднего отпуска при температуре 480 ºС.
4.Ударная вязкость сталей 25-50 определяется после термоулучшения, закалки и высокого отпуска при 600ºС, после закалки и отпуска, нагартовки или термической обработки, устраняющей нагартовку – отжига или высокого отпуска.
Высококачественные углеродистые стали
Эти стали характеризуются более низким содержанием, чем у сталей обыкновенного качества и качественных сталей, вредных примесей (Р ≤ 0,025% и S ≤ 0,025%) и неметаллических включений. Они отличаются более однородным распределением углерода и примесей по длине и сечению проката. Металлургическими заводами высококачественные стали поставляются в виде проката (прутков, листов, поковок и других полуфабрикатов) с гарантированным химическим составом и механическими свойствами по ГОСТ 1435 – 84.
Маркируются У7А, У8А, У9А, У11А, У12А, У13А. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая (т.е. нелегированные), цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента, буква А – сталь высококачественная (если в конце маркировки буква А отсутствует, то сталь качественная). Углеродистые стали с содержанием углерода более 1,3% практического применения не находят, так как дальнейшее увеличение содержания углерода не оказывает влияния на твердость закаленной стали, однако при этом повышается хрупкость из-за повышенного содержания в структуре вторичного цементита (рис.7).
Стали У7А…У13А используются в основном в качестве инструментальных. Полуфабрикаты (прутки, листы, поковки и др.) поставляются после отжига на зернистый перлит. Благодаря невысокой твердости в состоянии поставки (НВ 1870-2170) эти стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, наческу и другие высокопроизводительные методы изготовления инструментов. Из-за низкой прокаливаемости (12мм) углеродистые стали пригодны для мелких инструментов с поперечным сечением до 12 мм или 25 мм с незакаленной сердцевиной, в которой режущая часть находится в поверхностном слое (метчики, развертки, напильники и т.п.) несквозная закалка уменьшает деформацию инструментов и повышает за счет вязкой сердцевины устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.
Режущие инструменты (ручные метчики, сверла, напильники, надфили, пилы, шаберы и др.), а также измерительные инструменты (штангенциркули, пробки, втулки, скобы, метрические линейки) изготавливают из заэвтектоидных сталей У10А…У13А. Их после изготовления подвергают неполной закалке и низкому отпуску при температуре 160…200ºС на структуру мелко игольчатого мартенсита с включениями зернистого цементита. Также инструменты обладают повышенной износостойкостью и высокой твердостью (НRС 60…64) на рабочих поверхностях, однако твердость инструментов из этих сталей сильно снижается при нагреве свыше 200ºС (в связи с изменением структуры). Поэтому инструменты из таких сталей пригодны для обработки сравнительно мягких материалов и при небольших скоростях резания.
Заэвтектоидные стали У10А…У13А часто используют для изготовления небольших штампов холодной высадкой штампов для обрезки облоев, работающих при невысоких нагрузках.
Стали У7А, У8А и У9А, из-за меньшего содержания углерода имеющие более высокую вязкость, применяют для ударных инструментов деревообрабатывающих (стамески), слесарных и кузнечных (молотки, зубила), а также молотовых штампов (матриц и пуансонов). После полной закалки их подвергают отпуску на структуру тростит отпуска при ~300 ºС (НRС 50) или ~400ºС (НRС 40).
Чугуны
Из сплавов на основе железа лучшими литейными свойствами обладают чугуны. Они относятся к «нелетающим сплавам». Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие углерод более 2,14% и затвердевающие с образованием эвтектики. В связи с хорошей жидкотекучестью, достаточной прочностью, износостойкостью, дешевизной чугуны используют для производства отливок для станков и приспособлений сложной конфигурации при отсутствии жестких требований к размерам и массе деталей.
В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, чугуны подразделяются на две группы:
К первой группе чугунов относятся белые чугуны. Излом такого чугуна белый. Белые чугуны весьма тверды (НВ 4500-5500) и хрупки, плохо обрабатываются резанием. Белые чугуны в машиностроении используются редко, они обычно идут на передел в сталь или для получения ковкого чугуна. Структура белых чугунов соответствует диаграмме равновесного состояния «железо-цементит» (рис.2). По структуре белые чугуны подразделяются на:
Ко второй группе чугунов относятся серые, высокопрочные и ковкие чугуны, наиболее широко применяемые в машиностроении. Излом этих чугунов имеет серый цвет. Структура из различается формой графитовых включений и металлической основы.
В серых чугунах графит выделяется в виде пластинок, в высокопрочных – в виде шаров, в ковких – в виде хлопьев. Без травления под микроскопом они выглядят таким образом (рис.5):
По структуре металлической основы все эти чугуны классифицируются на:
Маркировка чугунов
Серые чугуны маркируют «СЧ». Цифра после букв «СЧ» указывает на значение предела прочности на растяжение (σВ). Например, СЧ12 (серый чугун с σВ ≥ 120 МПа).
Рис. 5. Формы графита в чугунах: а – серый; б – высокопрочный; в – ковкий
Рис. 6. Схемы структур чугунов: а – ферритные; б – ферритно-перлитные; в – перлитные
Высокопрочные чугуны получают из перлитного серого чугуна путем модифицирования – добавкой в жидкий чугун магния и ферросилицилия. Маркируются чугуны буквами «ВЧ» и двумя числами. Первое число показывает предел прочности на растяжение (σВ), второе – относительное удлинение (δ). Например, чугун марки ВЧ 60-2 (высокопрочный чугун с σВ ≥ 600 МПа и δ ≥2%).
Ковкие чугуны получают путем длительного отжига (томления) белых доэвтектических чугунов. Ковкие чугуны маркируются буквами «КЧ» и двумя числами. Первое число показывает предел прочности на растяжение (σВ), второе – относительное удлинение (δ). Например, ковкий чугун марки КЧ 37 – 12 (ковкий чугун с σВ ≥ 370 МПа и δ ≥12%).
Порядок выполнения работы
1. Вычертить диаграмму состояния Fe – Fe3C с указанием температур превращений и концентраций углерода для харак терных точек.
2. Указать фазы и структурные составляющие в различных областях диаграммы.
3. Определить составы и весовое количество (%) фаз и структурных составляющих при температурах для варианта, ука занного преподавателем. При выполнении расчетных задач в перитектической области диаграммы использовать данные по фрагменту этой диаграммы, представленные на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Фрагмент (высокотемпературная область) диаграммы «железо–углерод»
4. Исследовать под микроскопом и описать микроструктуры шлифа, заданного преподавателем, определить процентное содержание углерода в
сплаве.
5. Измерить твердость, полученных у преподавателя образцов. Построить зависимость твердости от содержания углерода.
6. Изучить и описать классификацию сталей и чугунов, их маркировки и применение.
Образцы зарисовки микроструктур сплавов Fe-Fe3C в равновесном состоянии.
|
Структура |
Описание структуры |
Структура |
Описание структуры |
|
С=0,015% |
Феррит |
С=0,15% |
Феррит Перлит |
|
С=0,4% |
Феррит Перлит |
С=0,8% |
Перлит |
|
С=1,5% |
Перлит Вторичный цементит |
С=3,5% чугун белый |
Цементит Перлит Ледебурит |
|
С=3,0% чугун серый ферритно-перлитный |
Феррит Графит
Перлит |
С=3,0% чугун серый ферритный |
Феррит Графит |
|
С=3,0% чугун ковкий |
Феррит Перлит Чешуйки графита |
С=3,0% чугун высокопрочный |
Перлит Феррит Шарообразный графит |
Примерный перечень вариантов индивидуальных заданий представлен в табл.2.2.
Таблица 2.2.
Индивидуальные задания по анализу диаграммы состояния Fe-C.
|
Номер варианта |
Содержание углерода, % |
Темпера тура, °С |
Номер варианта |
Содержание углерода, % |
Темпера тура, °С |
|
1 |
0,05 |
820 |
13 |
1,6 |
900 |
|
700 |
600 |
||||
|
2 |
0,12 |
1480 |
14 |
2,3 |
1200 |
|
650 |
800 |
||||
|
3 |
0,16 |
1520 |
15 |
2,5 |
1300 |
|
600 |
600 |
||||
|
4 |
0,20 |
1470 |
16 |
2,8 |
1250 |
|
650 |
800 |
||||
|
5 |
0,35 |
1520 |
17 |
3,0 |
1200 |
|
700 |
1000 |
||||
|
6 |
0,40 |
750 |
18 |
3,5 |
1200 |
|
600 |
600 |
||||
|
7 |
0,50 |
1470 |
19 |
3,8 |
1170 |
|
650 |
850 |
||||
|
8 |
0,60 |
750 |
20 |
4,2 |
1150 |
|
600 |
800 |
||||
|
9 |
0,80 |
1450 |
21 |
4,5 |
1150 |
|
650 |
700 |
||||
|
10 |
1,0 |
1400 |
22 |
5,0 |
1200 |
|
600 |
1000 |
||||
|
11 |
1,2 |
760 |
23 |
5,5 |
1300 |
|
700 |
600 |
||||
|
12 |
1,4 |
800 |
24 |
6,0 |
1400 |
|
650 |
800 |
Отчёт
по лабораторной работе №_
Микроструктура углеродистых сталей и чугунов
в равновесном состоянии
Выполнена студентом гр.
Цель работы:
I.I. Расписать фазовые поля
б) Феррит -
в) Цементит -
г) Ледебурит -
д) Перлит -
1.3. Запишите правило фаз для области диаграммы
1.4. Построить кривые охлаждения для сплавов 0,015; 0,4; 0,8; 1,2%С. Описать фазовые и структурные превращения, происходящие при охлаждении заданных сплавов от температуры плавления до комнатной температуры, применяя правило фаз.
Термины и определения.
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. (предельная растворимость углерода в γ-железе – 2,14%).
Ледебурит – структурная составляющая (эвтектика) желе зоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представ ляющая собой механическую смесь кристаллов аустенита и це ментита, образующихся в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67% углерода.
Перлит – структурная составляющая (эвтектоид) железоуг леродистых сплавов, представляющая собой механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, образующихся при распаде аустенита во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при t = 727 °С.
Сталь – железоуглеродистый сплав, содержащий 0,02–2,14% углерода. По содержанию углерода и наличию структурных со ставляющих различают: доэвтектоидные (углерода 0,02–0,83%), эвтектоидные (углерода 0,83%), заэвтектоидные (углерода 0,83– 2,14%) стали.
Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Различают низкотемпературный α - феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ - феррит с предель ной растворимостью углерода 0,1%.
Цементит Fe3C – химическое соединение железа с углеро дом (карбид железа) с концентрацией углерода 6,67%.
Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода. По содержанию углерода и наличию структурных составляющих различают чугуны: доэвтектические (углерода 2,14–4,3%), эвтектические (углерода 4,3%) и заэвтектические (углерода 4,3–6,67%).
Чугуны белые – чугуны, кристаллизующиеся подобно углеро дистым сталям по метастабильной диаграмме состояния Fe – Fe3C (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита; имеет белый блестящий излом).
Цель работы:
- Практическое знакомство с закалкой и отпуском углеродистой стали и методикой последующего контроля термически обработанных сталей.
- Изучение влияния на структуру и твердость стали:
а) температуры нагрева под закалку;
б) скорости охлаждения при закалке;
в) температуры отпуска.
- Определение характера и режимов термической обработки по заданному химическому составу, структуре и требуемой прочности, твердости, пластичности и ударной вязкости стали.
Классификация видов термической обработки
Термообработку подразделяют на предварительную и окончательную. Предварительная термообработка применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (например, горячей обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием и т.д.). Окончательная термообработка формирует свойства готового изделия.
Существующие способы реализации термической обработки подразделяются на собственно-термическую (СТО), химико-термическую (ХТО), термомеханическую (ТМО) и термическую обработку с оплавлением поверхности (ТО с ОП) (рис. 12).
Рис. 12. Классификация видов термической обработки
Собственно термическая обработка заключается только в тепловом воздействии на материал детали. При этом предполагается, что металл не изменяет свой химический состав, не деформируется и поверхность не оплавляется (рис. 13).
Рис. 13. Схема собственно термической обработки СТО
Химико-термическая обработка заключается в нагреве, выдержке и охлаждении деталей из сталей или титановых сплавов в среде, содержащей какой-либо элемент, например, углерод, азот, углерод и азот, бор, а также металлы – алюминий, хром, иттрий, титан, бериллий и др. (рис. 14).
Рис. 14. Схема химико-термической обработки
Термомеханическая обработка заключается также в нагреве, выдержке и пластической деформации и последующем быстром охлаждении (рис. 15).
Термическая обработка с оплавлением поверхности заключается в быстром нагреве высокоэнергетическими источниками поверхности деталей и последующем охлаждении со скоростью не менее 106 °С/с. При этом достигается аморфное строение поверхностного слоя. Может применяться в приборостроении, медицинской технике и аппаратах для улучшения служебных характеристик: износостойкости, физических свойств (рис. 16).
Рис. 15. Схема термомеханической обработки: – пластическая деформация;
τн - время нагрева, τв - время выдержки в печи, τд - время обработки пластической деформацией, τо - время охлаждения
Рис. 16. Схема термической обработки с оплавлением поверхности
Собственно термическая обработка стали
По классификации А.А.Бочвара различают следующие виды термической обработки стали. Режимы их представлены на рис. 17.
Рис. 17. Температура нагрева углеродистых сталей при различных видах
термообработки (а) и циклограммы соответствующих видов термической обработки (б)
I группа. Отжиг первого рода, не связанный с фазовыми превращениями в сплавах. К этой группе относится диффузионный (гомогенизирующий), рекристаллизационный, дорекристаллизационный и отжиг для снятия внутренних напряжений.
II группа. Отжиг второго рода (с фазовыми превращениями). Этот отжиг применяется для получения равновесной структуры с целью снижения твердости; повышения пластичности и вязкости стали; улучшения обрабатываемости; измельчения зерна. Так как все стали, кроме эвтектоидной, имеют две критические температуры1 А1 и A3, то для них возможны два вида фазовых отжига (полный отжиг с температурой нагрева выше АС3 и неполный отжиг, когда температура выше АС1, но ниже АС3), с учетом режимов изотермический отжиг и нормализацию.
График 3 на рис. 17, б характеризует схему режима отпуска стали. Ниже более подробно рассматривается назначение и технология этих видов обработки.
Отжиг стали.
Отжиг является распространенной операцией термической обработки сталей и чугунов. На рис. 15, а приведены температуры различных видов отжига для углеродистых сталей. В зависимости от назначения режимы отжига могут быть различны.
Рекристаллизационный и смягчающий отжиг применяется для устранения наклепа после холодной пластической деформации (обработки давлением). Для восстановления пластичности, необходимой для дальнейшей обработки давлением (например, промежуточные отжиги при волочении проволоки).
При отжиге, преследующем цель повышения деформируемости (например, листовой стали в автомобилестроении), проводят отжиг при 650 – 670°С после деформации около 20%. Такой отжиг обеспечивает при дальнейшей холодной вытяжке хорошую пластичность и гладкую поверхность. Не следует проводить отжиг при температурах, близких к критическим, вызывающих рост зерна. При дальнейшей деформации такой материал дает очень негладкую поверхность.
Степень предварительной деформации и режим рекристаллизационного отжига являются способом регулирования величины зерна. Этим особенно пользуются для таких сплавов, которые не имеют фазовых превращений в твердом состоянии (например, ферритные и аустенитные стали2).
Следует отметить, что для сталей, работающих при обычных условиях, наилучшим является мелкое зерно. Для повышения жаропрочности предпочтительными являются стали с крупным зерном. При отжиге электротехнической листовой стали также добиваются получения крупнокристаллической структуры, улучшающей магнитные характеристики стали.
Для снятия внутренних напряжений в отливках, в сваренных деталях проводится отжиг при температуре 650 – 700°С. Для устранения термических напряжений охлаждение до температуры 400 – 300°С должна быть медленное.
Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг применяется для устранения дендритной ликвации в слитках и отливках (особенно из легированных сталей). Для этой цели проводится нагрев при 1100 – 1150°С с длительной (12 – 15 часов) выдержкой и последующим медленным охлаждением. При этом образуется крупнозернистая видманштеттовая структура, имеющая характерное игольчатое строение феррита. Для исправления структуры отливки после диффузионного отжига подвергают полному фазовому отжигу, после чего наблюдается нормальная структура. У сталей, склонных к ликвации, диффузионный отжиг улучшает вязкость и пластичность в прокатанной или кованой стали в направлении поперек волокна.
Отжиг с фазовой перекристаллизацией. Такой отжиг применяется для получения равновесной ненапряженной структуры стали. Он может быть полным или неполным. Полный отжиг применяется для исправления структуры литой или кованой стали, если последняя крупнозернистая.
Полный отжиг заключается в нагреве стали выше Ас3 на З0 – 50°С, (рис. 17 а), выдержке при этой температуре до полной перекристаллизации с последующим медленным охлаждением. Скорость охлаждения углеродистой стали 150 – 200°С/час; легированной стали — 30 – 100°С/час.
Полный отжиг повышает прочность, пластичность и вязкость литой стали. Прочность горячекатанной стали после отжига несколько понижается. Полный отжиг используется также для исправления строчечной структуры, рис. 18, а, образующейся в малоуглеродистой стали при слишком низкой (между точками А1 и А3) температуре окончания горячей обработки давлением. Нагрев выше Ас3 и последующее несколько ускоренное охлаждение устраняет или в значительной степени подавляет образование полосчатости, рис. 18, б.
а) б)
Рис. 18. Структура малоуглеродистой стали: а- строчечная после прокатки; б- после отжига
Такой отжиг также применяется для улучшения обрабатываемости резанием доэвтектоидных сталей. Оптимальная структура этих сталей для механической обработки — тонкопластинчатый перлит с сеткой феррита (обеспечивается хорошее каче ство поверхности и стойкость инструмента).
Неполный отжиг заключается в нагреве стали выше температуры Ас1 но ниже Ас3, выдержке и последующем медленном охлаждении. Такой отжиг для доэвтектоидных сталей применяется после правильно выполненной горячей обработки давлением, когда не требуется исправление всей структуры заготовки. При этом отжиге фазовое превращение испытывает только перлитная структурная составляющая стали. Одновременно достигается снятие внутренних напряжений. Так как температуры неполного отжига ниже, чем полного, то неполный отжиг более экономичен.
Неполный отжиг применяется также для получения зернис того перлита в структуре заэвтектоидных инструментальных сталей. Это необходимо для улучшения их обрабатываемости резанием. Кроме этого в стали с исходной структурой зернистого перлита при закалке обеспечивается повышенная вязкость.
При таком сфероидизирующем отжиге сталь нагревают немного выше точки Aс1 выдерживают при этой температуре, медленно охлаждают до температуры 620 – 680°С, а затем на воздухе. Для ускорения сфероидизации иногда проводят маят никовый отжиг с периодическим колебанием температуры около точки А1. В структуре заэвтектоидной стали недопустимо образование сетки избыточного цементита. При наличии в структуре стали цементитной сетки, перед отжигом производится нормализация стали.
Изотермический отжиг заключается в нагреве стали выше температуры АС3 или AС1 выдержке при этой температуре до полного завершения фазовых превращений и перенесения изделий в соляную ванну или в печь с температурой, лежащей на 120 – 180°С ниже температуры Ar1 где осуществляется выдержка до полного распада аустенита. Этот вид отжига экономичней обычного и обеспечивает получение более стабильных результатов, так как контролировать температуру легче, чем скорость охлаждения. Образование однородной феррито-цементитной смеси происходит при постоянной температуре по всему сечению изделия. Поэтому изотермический отжиг часто применяется особенно для легированных сталей.
Нормализация стали.
При нормализации сталь нагревают выше температуры Ac3 или Ac1 на 30 – 50°С, рис. 17, а. После выравнивания температуры по всему сечению детали охлаждаются на спокойном воздухе. Таким образом, по режиму нормализация является проме жуточной операцией между отжигом и закалкой. Основной целью нормализации является получение мелкозернистой однородной структуры; устранение цементитной сетки в структуре заэвтектоидной стали; частично снятие внутренних напряжений и наклепа; для улучшения штампуемости и обрабатываемости резанием. Нормализация иногда является также предварительной операцией перед окончательной термической обработкой. Низкоуглеродистая сталь после нормализации имеет мелкозернистую структуру феррита и перлита. Поэтому нормализация этих сталей обычно используется вместо отжига с фазовой перекристаллизацией как более экономичная термическая обработка. Структура среднеуглеродистой стали после нормализации состоит из феррита и сорбита, поэтому прочность и твердость её выше, чем после отжига этих сталей.
Таким образом, нормализация по режиму может быть предварительной, промежуточной и окончательной термической обработкой детали.
Закалка стали
Способы закалки разделяют по следующим признакам:
- по среде охлаждения (закалка в воде, в масле, на воздухе, в полимерных средах)
- по объему детали, к которому применяется закалка (объемная, поверхностная)
- по ступенчатости охлаждения, (закалка в двух средах, ступенчатая, изотермическая и т.д.)
Как было установлено ранее, при закалке сталь нагревается выше критической температуры и затем охлаждается со скоростью равной или выше критической, необходимой для получения неравновесной структуры мартенсита закалки. Структура мартенсит закалки характеризуется повышенной концентрацией внутренних напряжений и высокой твердостью, значение которой зависит от количества углерода в стали. Эта операция термической обработки является весьма распространенной и наиболее ответственной. В связи с этим необходимо уделить особое внимание правильному выбору основных параметров технологии закалки.
Выбор температуры закалки производится в зависимости от температуры критических точек. При этом доэвтектоидные стали нагреваются выше точки АС3 на 30 – 40°С. Нагрев этих сталей выше точки Ас1, но ниже АС3 недопустим, ибо при последующем охлаждении со скоростью больше или равной критической образуется смесь структур мартенсита закалки и феррита. Из-за низкой твердости феррита (80 НВ) твердость стали после закалки будет существенно понижена. Для заэвтектоидных сталей является оптимальной температура нагрева выше точки Ас1 на 50 – 70°С. После охлаждения со скоростью больше или равной критической образуется структура мартенсита закалки и вторичного цементита. При таком сочетании структурных составляющих обеспечивается максимальная твердость стали после закалки, так как твердость цементита (750 НВ) даже выше, чем твердость мартенсита высокоуглеродистой стали (700 НВ). Необходимо учитывать, что при нагреве выше Ас1 заэвтектоидных сталей (при неполной закалке) оптимальные результаты будут получены только в том случае, если вторичный цементит имеет зернистую (сфероидальную) форму. Выделения цементита в виде сетки по границам зерен недопустимы, так как заэвтектоидная сталь после закалки в этом случае будет хрупкой. Поэтому заэвтектоидные стали для получения качественной исходной структуры перед закалкой обязательно подвергаются сфероидизирующему отжигу. Твердость мартенсита закалки зависит от содержания углерода и температур закалки (рис. 19). Области оптимальных температур для закалки углеродистых сталей также зависят от количества углерода (рис. 20).
Рис. 19. Изменение твердости стали в зависимости от содержания углерода и
температуры закалки: кривая а - нагрев выше Ас3, кривая б - твердость мартенситной структуры (по А.П.Гуляеву), кривая в - нагрев выше Ас1
Как видно по рис. 19 (в) твердость заэвтектоидной стали после неполной закалки с увеличением количества углерода несколько повышается. Это объясняется тем, что увеличивается количе ство очень твердого цементита в структуре после закалки. Выбор температуры для закалки легированных сталей про изводится по данным из справочников. Что касается скорости нагрева и нагревательных сред при закалке, то здесь необходимо руководствоваться данными, кото рые были рассмотрены в начале этой главы.
Рис. 20. Оптимальный интервал закалочных температур для сталей с различным
содержанием углерода на диаграмме состояния Fe-C
Скорость охлаждения при закалке. Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение, которое должно осуществляться со скоростью выше критической для получения структуры мартенсита. Критическая скорость закалки VK для данной стали определяется по термокинетической диаграмме.
При больших скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению или растрескиванию деталей. Поэтому нужно иметь ясное представление о механизме образования внутренних напряжений, чтобы успешно их регулировать и предотвращать образование брака
Закалочные среды и способы закалки стали. Целью закалки является получение мартенситной структуры. Режим охлаждения влияет на внутренние напряжения, оптимальным режимом при закалке для стали с представленной на рис. 21 С-образной кривой превращения аустенита является режим 1.
Рис. 21. Схема режимов охлаждения при различных способах закалки: 1 - идеальный режим охлаждения; 2 - непрерывная закалка в одном охладителе; 3 - прерывистая закалка в двух средах; 4- ступенчатая закалка; 5 - изотермическая закалка
Во избежание распада аустенита в области образования троостита скорость охлаждения в интервале температур 650 – 400°С должна быть высокой. Вместе с этим в интервале температур мартенситного превращения ниже Мн (300 – 200°С) скорость охлаждения должна быть низкой. Это необходимо для снижения фазовых напряжений и для предотвращения образования трещин от термических напряжений в хрупком мартенсите.
Ниже рассмотрено, в какой степени наиболее распространенные охлаждающие среды (вода и масло) удовлетворяют поставленным условиям.
Для жидкостей, температура кипения которых ниже температуры охлаждаемого тела, при погружении в них нагретого тела различают три периода, которые характеризуются различной интенсивностью охлаждения.
Установлено, что пленочное кипение воды простирается на интервал температур 650 – 400°С и чистая вода охлаждает в этом интервале температур не с максимальной скоростью. Для ускорения охлаждения рекомендуется производить перемещение изделия в воде, что улучшает теплообмен. При температурах 300 – 200°С происходит пузырчатое ки пение и вода охлаждает слишком быстро. Установлено, что повышение температуры воды создает еще более неблагоприятные условия охлаждения при температурах 300 – 200°С. Неблагоприятные условия при охлаждении в воде устраняются при использовании водных растворов щелочей, солей и кислот. У этих жидкостей почти нет периода пленочного кипения, и скорость охлаждения при 300 – 200°С меньше, чем у чистой воды. Изменение температуры водных растворов влияет на их охлаждающую способность. Поэтому в ряде случаев рационально использовать в качестве закалочных сред не чистую воду, а водные растворы щелочей, солей или кислот.
Положительной особенностью масла является низкая скорость охлаждения при 300 – 200°С. В ряде случаев (легированные стали) скорость охлаждении при закалке в масле при 650 – 400°С может быть достаточной для предотвращения рас пада аустенита. Возможность использования масла при закалке обеспечивает уменьшение брака от трещин. Для углеродистых сталей скорость охлаждения в масле в интервале температур 650 – 400°С недостаточная для предотвращения распада аустенита.
Так как реальные охлаждающие жидкости имеют режимы охлаждения, значительно отличающиеся от идеального режима (рис. 21, 1), то приходится применять различные способы охлаждения стали при закалке, которые рассмотрены ниже.
1. Закалка в одном охладителе (простая непрерывная закалка) режим 2, рис. 20. Этот метод наиболее прост и широко применяется. Для закалки мелких деталей сечением до 5 мм из углеродистых сталей и деталей большего диаметра из легированных сталей в качестве закалочной среды применяют масло. Для более крупных, но простых по форме деталей из углеродистой стали в качестве закаливающей среды применяют воду или водные растворы щелочей. В качестве закалочных сред при этом способе рекомендуется: в инструмен тальном производстве 5 – 15% растворы NаС1 в воде. Для изделий сложной формы, склонных к короблению и трещинообразованию рекомендуется 40 – 50 %-ный раствор NаОН в воде. Эти растворы обеспечивают скорость охлаждения при температурах 750 – 550°С до 1400°С/с. При температурах 300 – 200°С скорость их охлаждения приближается к скорости охлаждения в масле. 40 – 50 % растворы NаОН рекомендуются для легированных сталей повышенной прокаливаемости3. Для сталей с пониженной прокаливаемоетью рекомендуются 5 – 15%-ные растворы NаОН.
Для крупных изделий сложной формы, изготовленных из сталей с большой устойчивостью аустенита (с высокой прокаливаемостью), типичными закалочными средами являются чистые минеральные масла или их смеси, например 50%-ная смесь индустриальных масел 12 и 20.
2. Закалка в двух средах (прерывистая закалка) режим 3, рис. 20. Этот метод заключается в предварительном охлаждении детали в более резком охладителе (например в воде) до температуры ~ 300°С с последующим охлаждением в более мягкой среде (например в масле).
Прерывистая закалка в двух средах обеспечивает приближение к оптимальному режиму охлаждения 1, рис. 21. Недостатком прерывистой закалки является трудность установления момента переноса изделия из одной среды в другую для различных изделий, имеющих, как правило, различную толщину по сечению.
3. Ступенчатая закалка. Режим 4, рис. 21. При этом способе деталь после нагрева переносят в среду с темпе ратурой несколько выше точки температуры начала мартенситного превращения Мн, выдерживают в ней до вы равнивания температуры по всему сечению и дальнейшее ох лаждение осуществляют на воздухе. Средой при ступенчатой закалке при 180 – 200°С широко используются специальные масла, обладающие высокой температурой вспышки, и рас плавы солей. При ступенчатой закалке превращение А→М, ввиду предварительного выравнивания температуры по сече нию изделия, протекает по всему сечению практически одно временно. Вследствие этого фазовые напряжения имеют малую величину и уменьшается склонность к образованию трещин, снижается деформация при закалке. Применение ступенчатой закалки ограничивается размерами деталей: до 10 – 12 мм для деталей из углеродистой стали и до 20 – 30 мм для деталей из легированных сталей.
4. Изотермическая закалка. Режим 5 рис. 21. Отличием этого вида закалки от ступенчатой является длительность выдержки выше точки температуры начала мартенситного превращения Мн в нижней части области промежуточного превращения. Время выдержки должно быть достаточно для превращения аустенита в нижний бейнит. Превращение А→Б углеродистых сталей идет практически до конца, и в результате превращения образуется структура нижнего бейнита. При промежуточном превращении легированных сталей наряду с бейнитом сохраняется остаточный аустенит (10 – 20%). Такая структура обеспечивает высокую прочность, пла стичность и вязкость стали, т. е. высокую конструктивную прочность. Вместе с этим значительно снижается деформация изделий вследствие ликвидации термических напряжений. Фазовые (структурные) напряжения также уменьшаются в связи с тем, что превращение аустенита в бейнит происходит постепенно в течение длительного времени. Поэтому для легированных сталей изотермическая закалка находит довольно широкое применение.
Средой для охлаждения при изотермической закалке обычно являются расплавленные соли и щелочи разного состава. Охлаждение в расплавах щелочей (если нагрев под закалку производить в хлористых солях) позволяет получить чистую поверхность после термообработки. Такой способ закалки называется «светлой закалкой».
5. Для закалки инструмента типа зубил, молотков, кернов, которые должны сочетать высокую твердость и вязкость проводится закалка с самоотпуском.
Сущность этого способа закалки заключается в том, что изделия выдерживают в закалочной ванне до неполного охлаждения. Их извлекают из охладителя, когда внутренние слои еще достаточно нагреты. За счет внутреннего тепла происходит нагрев поверхностных слоев изделия до нужной температуры, т. е. самоотпуск закаливаемого изделия.
Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения Мк ниже 0°С. Поэтому после закалки в структуре стали наблюдается наряду с мартенситом остаточный аустенит, который снижает твердость и ряд других свойств стали. Для устранения остаточного аустенита проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур до температуры несколько ниже Мк стали. Обычно для этого используется сухой лед.
Такая обработка называется обработкой стали холодом. Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, иначе аустенит стабилизируется и эффект обработки будет незначителен. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1 – 4 единицы НRС. После обработки холодом дают низкий отпуск.
Отпуск стали
Отпуск является заключительной операцией термической обработки. При отпуске формируется окончательная структура и свойства изделия. Уменьшаются или устраняются внутренние закалочные напряжения, повышается вязкость и пластичность.
Отпуском стали называется операция термической обработки, при которой сталь нагревается ниже Ac1, выдерживается при этой температуре и затем охлаждается. Отпуск является заключительной операцией термической обработки сталей, отпуск проводится сразу после закалки сталей с целью уменьшения внутренних напряжений, возникших при закалке, повышения пластичности и получение необходимых физико-механических свойств изделий.
Структура закаленной стали, состоящей из мартенсита и остаточного аустенита, а в заэвтектоидной стали, кроме того, вторичного цементита, является неустойчивой. Нагрев стали при отпуске облегчает переход из метастабильного состояния пересыщенного α-твердого раствора в более устойчивое. При отпуске с повышением температуры в закаленной стали происходит выделение углерода из мартенсита, что сопровождается уменьшением тетрагональности кристаллической решетки, образование и коагуляция частиц цементита. При низких температурах отпуска образуется метастабильный карбид, отличный от цементита. В технической литературе он обозначается как ε-карбид и имеет формулу, близкую Fe2C. При температурах 300 – 400ºС происходит превращение ε → Fe3C. В зависимости от температуры нагрева формируются следующие структуры: мартенсит, троостит и сорбит отпуска, при этом соответственно изменяются механические свойства стали (рис. 22).
Рис. 22. Механические свойства стали марки 40 от температуры отпуска
Как видно из этого рисунка с повышением температуры отпуска предел прочности (σв) и твердость (HB) понижаются, а пластичность (δ) и ударная вязкость (KCU) повышаются. В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к изделиям, на практике применяют следующие виды отпуска: низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск (150 – 250°C) применяется для изделий, где требуется высокая твердость (НRС 56 – 64) и износостойкость. При низком отпуске сохраняется высокая твердость, снижаются внутренние напряжения и несколько повышается вязкость стали. Свойства стали после отпуска зависят не только от температуры нагрева, но и от продолжительности выдержки. Низкий отпуск применяется для калибров, шаблонов, метчиков, зубил, клейм, штампов холодного деформирования, волочиль ных колец, изделий из цементуемых сталей.
Структура стали после отпуска – отпущенный мартенсит чаще всего игольчатого строения.
Средний отпуск (300 – 400°C) обеспечивает в изделиях относительно высокую твердость (НRС 40 – 54) и максимальный предел упругости при достаточном пределе прочности. Этот вид отпуска чаще всего приме няют при изготовлении рессор и пружин.
Структура изделий после такого отпуска – троостит зернистого строения.
Высокий отпуск (500 – 650°C) применяется для деталей, от которых требуется определенное сочетание прочности (σв = 800 – 1000 МПа), ударной вязкости и твердости. Этот отпуск применяют при изготовлении шатунов, ответственных крепежных изделий и деталей машин, изготовляемых из конструкционных сталей.
Термическую операцию – закалку с высоким отпуском – называют улучшением. Структура стали в термически улучшенном состоянии – сорбит зернистого строения.
Порядок выполнения работы
1. Произвести закалку образцов из стали 40 по режимам, указанным в протоколе отчета. Определить, какому виду закалки подвергается каждая партия образцов (полная, неполная, с перегревом).
2. Произвести отпуск при температурах 200, 400, 600°C образцов из стали 40, закаленных с охлаждением в воду с температуры А С3 + (30 – 50°C).
3. Построить и проанализировать графики изменения твердости в зависимости от температуры закалки, скорости охлаждения и температуры отпуска.
4. По режимам термической обработки и полученной твердости определить предполагаемую структуру термически обработанной стали 40.
5. Решение практических задач. По твердости и структуре определить вероятную термическую обработку заданных марок сталей. Таблица 1).
6. Оформить отчет по работе.
Методика выполнения работы
Методика закалки
1. Для закалки применяются образцы в данной работе из стали 40 цилиндрической или прямоугольной формы диаметром или толщиной 10 – 15 мм, высотой 15 – 20 мм. На боковой поверхности каждого образца должно быть клеймо марки и номера образца. Образцы измеряют штангенциркулем, и результаты замера записывают в протокол закалки.
2. Определить твердость (по Роквеллу HRB) образцов в исходном (отожженном) состоянии, по таблице сделать перевод полученного результата в твердость по Бринеллю НВ и оба значения твердости записать в протокол закалки.
3. Определить время нагрева образцов из расчета 1,5 мин на 1 мм диаметра или толщины образца и записать в протокол закалки.
4. Образцы поместить в печи, разогреть до температур, указанных в протоколе закалки, и выдержать при этой температуре требуемое время.
При нагреве под закалку применяются лабораторные муфельные или шахтные электропечи. Регулировка температуры печи осуществляется автоматически с помощью потенциометров.
5. По окончании выдержки образцы в соответствии с протоколом закалки охладить или в воде, или в масле, или на воздухе. Перенос образцов в охлаждающую жидкость проводить быстро, не допуская их подстуживания. Охлаждение вжидкости (воде, масле) проводить при непрерывном энергичном движении образцов.
6. После термообработки оба торца образцов зачистить на наждачной бумаге.
7. Определить твердость закаленных образцов по Роквеллу. При твердости HRВ >100 переходить на HRC.
Перевести твердость по Роквеллу по таблице в значение твёрдости по Бринеллю НВ, затем в значение временного сопротивления σв и внести все три показателя в протокол закалки.
Методика отпуска
1. Из партии образцов, подвергнутых закалке, отобрать 3 образца, закаленных при температуре АС3 +(30-50°C) с охлаждением в воду, замерить их размер и твердость (HRC). По таблицам перевести значение твёрдости HRC на НВ. Все эти показатели и номера образцов записать в протокол отпуска.
2. Определить время выдержки при температуре отпуска из расчета 2 – 3 минуты на 1 мм диаметра или толщины и записать в протокол.
3.Чтобы обеспечить равномерность нагрева образцов, низкотемпературный отпуск следует проводить в масляной ванне; средне- и высокотемпературный отпуск (300-600°C) - в соляной ванне. При отсутствии масляной и соляной ванн могут быть использованы лабораторные электропечи.
4. Образцы поместить в ванны или электропечи, разогретые до температуры отпуска (200, 400, 600°C), выдержать необходимое время при температуре отпуска и охладить на воздухе.
5. После отпуска оба торца образца зачистить на наждачной бумаге.
6. Определить твердость по HRC, перевести по таблице в значение твёрдости по Бринеллю НВ, затем в значение временного сопротивления σв и внести все три показателя в протокол отпуска.
Оформление отчета
1. В отчете по лабораторной работе вычерчивается стальная часть диаграммы «железо-цементит» и указываются на ней критические точки (А1, А3, Асm), дается описание фазовых превращений, проходящих в этих точках при нагреве. Для описания процессов, происходящих при охлаждении стали с разной скоростью, зарисовывается рисунок 7. Кроме того, дается определение отжига, нормализации, закалки, отпуска и термоулучшения стали.
2. Оформляется протокол №1 закалки стали, куда заносятся исходные данные и результаты эксперимента.
3. По полученным экспериментальным данным строятся графики изменения твердости в зависимости от температуры ТО и скорости охлаждения.
При построении графиков следует учитывать, что скорость охлаждения образцов, применяемых в лабораторной работе в интервале температур минимальной устойчивости аустенита (600-500°C), равна: для воды при 20°С ~ 450 град/с; масла - 80-100 град/с; воздуха - 5-10 град/с. Критическая скорость закалки стали 40 Vк = 250 град/с.
4. Проводится анализ построенных графиков, т.е. описывается влияние температуры закалки и скорости охлаждения на изменение структуры и твердости стали.
5. По режимам закалки предположительно определяется получаемая структура стали 40 и записывается в последней графе протокола закалки №1.
При определении предполагаемых структур закалки следует воспользоваться диаграммой изотермического превращения аустенита (рисунок 7). Наложение на них кривых охлаждения небольших образцов, применяемых в работе, показывает, что охлаждение на воздухе обеспечивает переохлаждение аустенита до температур в диапазоне 650°С, охлаждение в масле переохлаждает аустенит до температур в диапазоне 550°С. Охлаждение в холодной воде происходит со скоростью больше критической.
6. Оформляется протокол №2 отпуска стали, куда заносятся исходные данные и результаты эксперимента.
7. По полученным экспериментальным данным строится график изменения твердости в зависимости от отпуска.
8. Проводится анализ построенных графиков, т.е. описывается влияние температуры отпуска на структуру и свойства закаленной стали. Предполагаемые структуры отпуска указываются в протоколе.
Отчёт
по лабораторной работе №_
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ 40
Протокол № 1
Определение влияния температуры нагрева и скорости охлаждения на структуру и свойства стали 40.
Исходные данные:
|
№ обр. |
Темп. ТО, °С |
Структура стали при нагреве |
Время выдержки при ТО, мин |
Охлаж- дающая среда |
Твёрдость |
σв, МПа |
Предполагаемая структура после охлаждения |
||
|
HRB |
HRC |
HB, MПа |
|||||||
|
1 |
650 |
Вода |
- |
||||||
|
2 |
Масло |
- |
|||||||
|
3 |
Воздух |
- |
|||||||
|
4 |
750 |
Вода |
- |
||||||
|
5 |
Масло |
- |
|||||||
|
6 |
Воздух |
- |
|||||||
|
7 |
850 |
Вода |
- |
||||||
|
8 |
Масло |
- |
|||||||
|
9 |
Воздух |
- |
|||||||
|
10 |
950 |
Вода |
- |
||||||
|
11 |
Масло |
- |
|||||||
|
12 |
Воздух |
- |
Вывод.
Протокол №2
Проведение отпуска стали 40 после закалки на структуру мелкоигольчатого мартенсита
Исходные данные:
|
№ обр. |
Темп. отпуска, °С |
Время отпуска, мин |
Вид отпуска |
Твердость |
σв, МПа |
Предпола-гаемая структура |
Свойства стали после отпуска, назначение вида отпуска |
|
|
HRC |
HB, МПа |
|||||||
|
1 |
низкий |
|||||||
|
2 |
средний |
|||||||
|
3 |
высокий |
Вывод:
Лабораторная работа 3
ЛИТЬЕ В ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫЕ ФОРМЫ
Литейное производство - отрасль машиностроения, которая занимается изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму (называемую литейной формой), полость которой имеет конфигурацию заготовки или детали. Основной задачей литейного производства является получение заготовок, максимально приближенных по форме и размерам к форме и размерам готовой детали, чтобы последующая обработка заготовок сводилась к отделочной обработке и шлифованию.
Цель работы: изучить основы проектирования технологии изготовления отливок, сделать эскиз отливки с литейно-модельными указаниями, произвести расчеты литниково- питающей системы, габаритов опок, размеров литейной формы и дать оценку эффективности данного способа изготовления заготовки.
Основы теории
Сущность литья в песчано-глинистые формы заключается в изготовлении отливок свободной заливкой расплавленного металла в разовую разъемную и толстостенную литейную форму, изготовленную из формовочной смеси по многократно используемым модельным комплектам (деревянным или металлическим), с последующим затвердеванием залитого металла, охлаждением отливки в форме, извлечением ее из формы с последующей отделкой.
Отличительными особенностями способа являются малые теплопроводность, теплоемкость и плотность песчаной формы, что позволяет получить отливки с малой толщиной стенки (2,5...5 мм); невысокая интенсивность охлаждения расплава в форме приводит к снижению скорости затвердевания отливки, укрупнению структуры и к появлению в массивных узлах усадочных раковин и пористости; сравнительно низкая огнеупорность материала способствует развитию на поверхности контакта форма - отливка физико-химических процессов, которые могут приводить к появлению пригара в поверхностном слое отливки.
Изготовление отливок в песчано-глинистых формах производится в определенной последовательности (рис.1.1).
Рис. 1.1. Схема технологического процесса получения отливок в
песчано-глинистых формах.
Для изготовления литейных форм используются модельный комплект, формовочные и стержневые смеси и другие материалы и оборудование.
Модельный комплект - совокупность технологической оснастки, необходимой для создания в форме полости, соответствующей конфигурации отливки. Модельный комплект включает литейные модели, модельные плиты, стержневые ящики (рис.1.2), модели элементов литниковой системы.
Рис.1.2. Разьемная модель отливки
Литейная модель - приспособление, с помощью которого в литейной форме получают полость с формой и размерами, близкими к конфигурации отливки.
Модельная плита - металлическая плита с закрепленными на ней моделями и элементами литниковой системы.
Стержневой ящик - приспособление, служащее для изготовления стержней. Литейные стержни используют для получения отверстий и полостей в отливках.
Литниковая система - система каналов, по которым расплавленный металл поступает в полость литейной формы. Литниковая система обычно состоит из литниковой чаши, предназначенной для приема струи расплава, вытекающей из разливочного ковша; вертикального канала - стояка, передающего расплав из литниковой чаши к другим элементам литниковой системы; шлакоуловителя, служащего для задержания шлака; питателя -канала, предназначенного для подачи расплава непосредственно в полость литейной формы и выпора, служащего для отвода газов из полости формы, контроля за заполнением формы сплавом и питания отливки при затвердевании (рис.1.3).
Рис. 1.3. Элементы литниковой системы:1 - литниковая чаша; 2 - стояк;
3 - шлакоуловитель; 4 - питатели
Форму и стержни изготавливают из формовочных смесей, которые должны обладать следующими свойствами: пластичностью, текучестью, газопроницаемостью, огнеупорностью, прочностью, противопригарностью.
Формовочная смесь содержит кварцевый (SiO2) или цирконовый (ZrO2·SiO2) песок, глину, воду и противопригарные материалы (каменный уголь, мазут, графит, краски и др.).
Формовочные смеси по характеру использования разделяют на облицовочные, наполнительные и единые.
Облицовочная смесь - это формовочная смесь, используемая для изготовления рабочего слоя формы. Такие смеси содержат повышенное количество исходных формовочных материалов (песка и глины) и имеют высокие физико-механические свойства.
Наполнительная смесь - это формовочная смесь для наполнения формы после нанесения на модель облицовочной смеси. Ее приготавливают путем переработки оборотной смеси с малым количеством исходных формовочных материалов (песка и глины). Облицовочные и наполнительные формовочные смеси используют для изготовления крупных и сложных отливок.
Единая смесь - это формовочная смесь, применяемая одновременно в качестве облицовочной и наполнительной смеси. Такие смеси применяют при машинной формовке в серийном и массовом производствах.
Литейная песчано-глинистая форма представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, заливаемую расплавленным металлом. Она состоит из верхней и нижней полуформ, которые изготавливают в литейных опоках - приспособлениях для удержания формовочной смеси.
Литейная песчаная форма должна обладать:
- прочностью - способностью выдерживать силовые нагрузки, возникающие при заливке расплавленного металла и транспортировке форм. Прочность смеси во влажном состоянии зависит от содержания глины, воды, уплотнения формовочной смеси и других факторов;
- газопроницаемостью - способностью пропускать газы, образующиеся в литейной форме при заливке расплавленного металла. Газопроницаемость зависит от размера и формы зерен кварцевого песка, влажности и других факторов;
- податливостью - способностью уменьшаться в объеме под действием усадки отливки при ее охлаждении;
- огнеупорностью - способностью не расплавляться под действием тепла расплавленного металла, заливаемого в форму, и не вступать с ним в химическое взаимодействие.
Внутренние полости в отливках выполняются с помощью стержней. Стержни при заливке расплавленного металла испытывают значительные тепловые и механические воздействия по сравнению с формой. Для повышения прочности стержней используют связующие материалы. Они делятся на два класса: А - неводные и Б - водные, растворяющиеся в воде. К материалам класса А относятся масла, битумы, канифоль, класса Б - декстрин (продукт получаемый из картофельного крахмала обработкой разбавленными кислотами при нагревании), патока, барда (отход, получаемый при обработке древесины слабой сернистой кислотой, в процессе изготовлении бумаги).
Проектирование технологии изготовления отливок и
расчет литниково-питающих систем
Проектирование технологического процесса начинают с анализа технологичности конструкции детали, возможности и целесообразности ее изготовления тем или иным способом литья. На этом этапе изучают чертеж детали, технические условия, определяющие требования к показателям ее качества, а также особые условия производства.
При выборе технологического процесса изготовления отливок учитывают назначение и конструкцию изделия, серийность производства и марку сплава.
Технологический процесс изготовления отливки проектируют в определенной последовательности и в соответствии со стандартами ЕСКД и ЕСТД.
При проектировании технологического процесса литья необходимо:
- обеспечить рациональную технологичность конструкции литой детали в соответствии с ГОСТ 18831.73 и выполнить чертежи отливки и литейной формы по ГОСТ 2423.73;
- установить допуски на размеры, припуски на механическую обработку и назначить класс точности в соответствии ОСТ 1.41154-86;
- рационально спроектировать пресс-формы и стержневые ящики для изготовления моделей, стержней и литниковых систем;
- установить рациональную толщину стенок и величину сопряжения в различных сечениях отливки для обеспечения необходимой прочности конструкции и возможности заполнения формы металлом без образования дефектов металлургического происхождения;
- назначить конструктивные литейные уклоны;
- применять нормализованные литниковые питающие системы, характерные для существующего производства.
1. Проектирование чертежа отливки и литейной формы.
На рис.1.4 представлена литая деталь «корпус».
Рис.1.4. Литая деталь «корпус»
Исходным документом для разработки чертежа отливки является чертеж детали (рис.1.5).
Рис. 1.5. Чертеж детали
На чертеже детали наносят модельно-литейные указания. Дополненный таким образом чертеж при единичном и мелкосерийном производстве представляет собой основной технологический документ. Он определяет все особенности технологического процесса и является основой для проектирования и изготовления модельного комплекта и выбора других приспособлений (опок, шаблонов и пр.). В массовом и крупносерийном производстве на все объекты модельной оснастки разрабатывают рабочие чертежи и технологию изготовления каждого объекта оснастки.
Вычерчивают чертеж (или эскиз) собранной формы со всеми размерами. Он должен давать представление о расположении стержней, литниковой системы, выпоров, прибылей.
При нанесении технологических указаний на чертеже детали определяют оптимальный разъем модели и формы, положение отливки в форме при заливке, последнее устанавливают в зависимости от конфигурапин отливки, вида формы, литниковой системы, требовании в отношении плотности металла, шероховатости поверхности и т.д.
1.1. Разработка эскиза отливки
При разработке эскиза отливки с литейно-модельными указаниями на эскиз детали условно наносят (рис.10): плоскость разъема модели и формы; припуски на механическую обработку; контуры стержня со стержневыми знаками; формовочные уклоны на вертикальных стенках.
Для получения плотной отливки в соответствии с принципом направленной кристаллизации ее наиболее массивные узлы располагают при заливке сверху, ответственные поверхности отливки следует располагать внизу или вертикально.
Положение отливки в форме при заливке указывается стрелками и буквами В (верх) и Н (низ). Разъем модели и формы указывают на всех проекциях буквами РМФ.
При определении разъема модели и формы выбирают такой вариант, который обеспечивает наименьшую трудоемкость изготовления модельной оснастки и формы, беспрепятственное удаление модели из формы, повышение размерной точности отливки и уменьшение затрат на очистку и ее дальнейшую обработку.
2.1. Упрощаются внешние и внутренние очертания отливки, так как отверстия малого диаметра, мелкие выемки, пазы и т.д. в отливках не получают, а рассчитывают на их оформление при последующей механической обработке (рис. 10). Минимальный диаметр литого отверстия должен быть (не менее)(табл.6): для черных сплавов при литье в песчаные формы 10-15 мм, в оболочковые формы - 6 мм, по выплавляемым моделям – 3-5 мм; для цветных сплавов при литье в кокиль – 8-10 мм, при литье под давлением – 1,5 – 2,5 мм.
2.2. Выбирается рациональное (с учетом упрощения изготовления оснастки и формовки) положение отливки в период закалки в форме, которое обеспечивает отсутствие в ней дефектов усадочного происхождения и качество поверхностей. При этом исходят из того, что наиболее чистыми и плотными при получении отливок путем свободной заливки получаются нижние и боковые поверхности, а на верхних поверхностях могут концентрироваться газовые раковины и песчаные включения.
Рис.10. Чертеж отливки
Таблица 6
Минимальные размеры отверстий, получаемых в литье
|
Отливки из серого чугуна |
Отливки из цветных сплавов |
|||||
|
Толщина стенки, мм |
8-10 |
20-25 |
40-50 |
До 40 |
40-60 |
60-80 |
|
Минимальный диаметр отливаемого отверстия, мм |
а>50 |
25 |
30 |
35 |
2.3. Обозначаются (см. рис. 10) разъем модели в форме, отъемные части модели. Для облегчения извлечения модели из формы и стержня из стержневого ящика предусматриваются формовочные уклоны (рис.11). Для отливок из стали, чугуна и цветных сплавов при литье в песчаные формы величина уклонов выбирается по ГОСТ 3212-80, а для литья в кокиль и под давлением - соответственно по ОСТ 5.9531-72 и ОСТ 5.9044-71. Данные по величине формовочных уклонов основных формообразующих поверхностей модельного комплекса при применении песчан смесей приведены в табл. 7.
2.4. Определяется требуемое число стержней, их форма и размеры. Особое внимание уделяется длине, высоте знаков, величинам уклонов и зазоров между знаками и формой, что обусловливается необходимостью обеспечения надежной фиксации стержней в форме и удобством сборки форм. Длина горизонтальных знаков для песчаных форм и формовочные уклоны на знаковых поверхностях (рис.10) выбираются по ГОСТ 3606-80. Справочные данные по габаритам знаков стержней приведены в табл. 8.
Рис.11. Литейные уклоны на отливках.
2.5. Назначаются припуски на механическую обработку отливок (см. рис. 10), величина которых обуславливается требованиями ГОСТ 1855-55 (чугунные отливки), ГОСТ 2009-55 (стальные отливки) и ОН 9-789-67, ОСТ 5.9186-74, ОСТ 9044-71 (цветные отливки) соответственно при литье в песчаные формы, в кокиль и центробежном, в оболочковые формы и по выплавляемым моделям, под давлением. Все сопряжения стенок, имеющих припуск на обработку, выполняются с закруглениями (галтелями), обеспечивающими плавный переход от одной стенки к другой (рис.12).
Таблица 7
Уклоны в моделях и стержневых ящиках
|
Высота модели или стержневого ящика Н, мм |
Уклоны |
|||
|
деревянные модели или стержневые ящики |
металлические модели или стержневые ящики |
|||
|
мм |
град |
мм |
град |
|
|
До 20 |
1,0 |
30 |
0,5-1,0 |
1030-30 |
|
20-50 |
1-2 |
1030-2030 |
0,8-1,2 |
10 -20 |
|
50-100 |
1,5-2,5 |
10- 1030 |
1,0-1,5 |
0045-10 |
|
100-200 |
2,0-3,0 |
0045- 10 |
1,5-2,0 |
0030-0045 |
|
200-300 |
2,5-4,0 |
0030-0045 |
2,0-3,0 |
0030-0045 |
|
300-500 |
4,0-5,0 |
0030-0045 |
2,5-4,0 |
0020-0030 |
|
500-800 |
5,0-6,0 |
0030 |
3,5-6,0 |
0020-0030 |
|
800-1800 |
6,0 |
0020 |
4,0 |
0015 |
|
Свыше 1800 |
10,0 |
0015 |
- |
- |
Таблица 8
Габаритные размеры знаков стержней
|
Наибольший размер знака в поперечном сечении, мм |
Длина знака при длине стержня между опорами, мм |
Высота знака в зависимости от высоты стержня, мм |
||||||
|
До 50 |
50-150 |
150-300 |
300-500 |
До 50 |
50-150 |
150-300 |
300-500 |
|
|
До 25 |
15 |
25 |
40 |
- |
20 |
25 |
- |
- |
|
25 - 50 |
20 |
30 |
45 |
60 |
20 |
30 |
60 |
70 |
|
50 - 100 |
25 |
35 |
50 |
70 |
25 |
35 |
50 |
70 |
|
100 – 200 |
30 |
40 |
55 |
80 |
30 |
40 |
40 |
60 |
|
200 – 300 |
- |
50 |
60 |
90 |
35 |
45 |
40 |
50 |
|
300 - 400 |
- |
- |
80 |
100 |
- |
- |
- |
- |
Рис. 12. Рекомендуемые переходы от одной стенки к другой в литых деталях:
а - А/а < 1,75; б - А/а > 1,75.
Сопряжение необрабатываемых стенок устанавливаются по требованию чертежа детали. Справочные данные по припускам на обработку приведены в табл. 9, а радиусы галтелей - в табл. 10.
2.6. Устанавливается величина усадки сплава, на которую увеличиваются размеры модельного комплекса и стержневого ящика. Величина усадки (по справочным данным и ОСТ 5.9044-71) в среднем применяется для чугунных отливок 1%, стальных - 2%, из цветных сплавов - 1,5%.
Таблица 9.
Припуски на обработку в зависимости от размера детали, способа производства и характеристики сложности отливки
|
Наибольший размер отливки (длина или высота), мм |
Припуск, мм |
|||||
|
массовое производство |
Серийное производство |
Единичное производство |
||||
|
простая |
сложная |
простая |
сложная |
простая |
сложная |
|
|
отливки |
отливки |
отливки |
||||
|
Отливки из серого чугуна |
||||||
|
До 100 |
2 |
2 |
3 |
3 |
3 |
4 |
|
101 - 1200 |
2 - 4 |
3 - 6 |
3 - 6 |
3 - 8 |
3 - 8 |
4 – 10 |
|
1201 - 2600 |
5 - 6 |
7 - 8 |
7 - 8 |
9 -10 |
9 - 10 |
11 – 12 |
|
2601 - 5400 |
- |
- |
9 - 10 |
11 - 12 |
11 - 14 |
14 – 16 |
|
Свыше 5400 |
- |
- |
12 |
14 |
16 |
18 |
|
Отливки из стали |
||||||
|
До 200 |
3 |
4 |
4 |
6 |
6 |
7 |
|
201 - 1200 |
3 - 6 |
4 - 9 |
4 - 9 |
7 - 12 |
7 - 12 |
9 – 15 |
|
1201 - 2600 |
7 - 9 |
10 - 12 |
10 - 12 |
13 - 15 |
13 - 15 |
16 – 18 |
|
2601 - 5400 |
- |
- |
13 - 15 |
16 - 18 |
16 - 18 |
21 – 24 |
|
Свыше 5400 |
- |
- |
18 |
24 |
24 |
30 |
|
Отливки из цветных сплавов |
||||||
|
До 200 |
2 |
2 |
2 |
3 |
3 |
4 |
|
201 - 2600 |
2 - 5 |
2 - 6 |
2 - 6 |
2 - 6 |
4 - 8 |
5 – 10 |
|
2601 - 5400 |
- |
- |
7 - 8 |
9 - 10 |
9 - 10 |
11 – 13 |
|
Свыше 5400 |
- |
- |
9 |
12 |
12 |
16 |
Таблица 10.
Радиусы галтелей при сопряжении стенок отливки
|
R |
R |
R |
R |
||||
|
До 12 |
6 |
27-35 |
15 |
60-80 |
30 |
200-250 |
60 |
|
12-16 |
8 |
35-45 |
20 |
80-110 |
35 |
250-300 |
80 |
|
20-27 |
12 |
45-60 |
25 |
110-150 |
40 |
Более 300 |
100 |
|
150-200 |
50 |
3. Принципы проектирования литейной песчаной формы
В процессе проектирования формы решается комплекс вопросов:
- установление количества получаемых в форме отливок;
- определение толщины стенок формы;
- конструирование и расчет элементов литниково-питающей системы;
- конструирование холодильников.
Рис. 13 Форма в сборе.
Таблица 11
Минимальные толщины стенок песчаной формы, мм
|
Масса отливки, кг |
а |
в |
с |
d |
е* |
е |
|
до 5 |
40 |
4 |
30 |
30 |
30 |
30 |
|
5 - 10 |
50 |
50 |
40 |
40 |
40 |
30 |
|
10 - 25 |
60 |
60 |
40 |
50 |
50 |
30 |
|
25 - 50 |
70 |
70 |
50 |
50 |
60 |
40 |
|
50 - 100 |
90 |
90 |
50 |
60 |
70 |
50 |
|
100 - 250 |
100 |
100 |
60 |
70 |
100 |
60 |
|
250 - 500 |
120 |
120 |
70 |
80 |
- |
70 |
|
500 - 1000 |
150 |
150 |
90 |
90 |
- |
100 |
|
1000 - 2000 |
200 |
200 |
100 |
100 |
- |
150 |
|
2000 |
250 |
250 |
125 |
125 |
- |
200 |
Размеры опок выбираются по ГОСТ 2133-75.
Выбор типа и места подвода расплава к отливке, а также установление размеров элементов литниково-питающей системы - одно из условий получения отливок высокого качества. Расплав следует подводить к полости так, чтобы его струя не размывала стенок формы и не била в стержни. Из производственных данных выработаны следующие рекомендации по выбору места подвода расплава в форму. При литье из серого чугуна расплав чаще всего подводят в тонкие места отливки; в этом случае в массивные места отливки он попадает несколько охлажденным, в то время как в тонком месте он будет иметь высокую температуру вследствие непрерывного поступления более горячего расплава из ковша. Это способствует равномерному остыванию отливки, устраняет усадочные раковины и внутреннее напряжение.
При литье из белого (ковкого) чугуна, учитывая его пониженную жидкотекучесть и увеличенную усадку, расплав подводят в наиболее толстые места отливки через питающую бобышку.
При стальном литье расплав к полости формы подводится двояко: если разница в толщине различных мест отливки сравнительно небольшая - в более тонкие участки (для выравнивания скорости охлаждения отливки), а при значительной разнице в толщине - к самому массивному месту отливки, на котором обычно ставится прибыль для создания направленного затвердевания отливки, идущего от тонких частей к толстым. При литье из цветных сплавов подвод расплава к полости должен быть плавным и обеспечивать достаточное питание отливки во время ее затвердевания, так как сплавы цветных металлов очень склонны к окислению и имеют повышенную усадку. Главный подвод сплава в этом случае осуществляют при помощи рожкового питателя или зигзагообразного тормозящего стояка, а питание установкой прибылей. При заниженных размерах литниковых каналов увеличивается длительность процесса жидкотекучести расплава, а следовательно, к браку отливок из-за недолива или спая. При заниженных размерах литниковых каналов расплав поступает в форму с высокой скоростью и с большим напором, оказывая значительное давление на внутренние поверхности формы. Вследствие этого могут произойти обвалы отдельных (в первую очередь выступающих) частей формы и отливка получиться с искаженной конфигурацией.
Размеры элементов литниковой системы рассчитывают в зависимости от массы получаемых отливок, их сложности, толщин стенок и других факторов.
Литниковые системы приведены в приложении 1.
Расчет литниковой системы сводится к определению сечения питателей по формуле:
(1);
где ∑Fn - суммарное поперечное сечение площади питателей, см2
Q - масса жидкого металла, кг
τ - продолжительность заливки, с
k - удельная скорость заливки, кг/см2 (табл. 7)
l - коэффициент жидкотекучести для отливок из чугуна и цветных металлов, принимается равным 1, а для остальных металлов равным 0,8.
Значения удельной скорости заливки представлены в табл. 12.
Таблица 12
Значение удельной скорости заливки «k»
|
Сплав |
Значение удельной скорости заливки k при относительной плотности отливки |
||||||
|
До 1 |
1-2 |
2-3 |
3-4 |
4-5 |
5-6 |
св. 6 |
|
|
Чугун |
0,55 |
0,65 |
0,75 |
0,85 |
0,95 |
1,05 |
1,15 |
|
Сталь |
0,6 |
0,65 |
0,7 |
0,75 |
0,80 |
0,9 |
0,95 |
|
Медные сплавы |
0,3-0,35 |
0,4-0,45 |
0,5-0,55 |
0,6 |
0,65 |
0,7 |
0,75 |
|
Алюминиевые сплавы |
0,2-0,25 |
0,3-0,35 |
0,4-0,45 |
- |
- |
- |
(относительная плотность отливки определяется как отношение массы отливки к ее габаритному объему).
Продолжительность заливки τ вычисляется:
для серого чугуна и цветных сплавов по формуле:
τ = 1,11 S (2);
для стали по формуле:
τ = S (3);
где S - поправочный коэффициент, зависящий от толщины стенки отливки (табл. 13).
Таблица 13
Значение коэффициента S в зависимости от толщины стенки отливки
|
Средняя толщина стенки, мм |
||||
|
До 10 |
11-20 |
21-40 |
св. 40 |
|
|
Значение S |
1,0 |
1,3 |
1,5 |
1,7 |
После определения суммарного сечения питателей, сечения шлакоуловителя и стояка устанавливаются по соотношению:
а) для серого чугуна:
∑Fn : Fшп : Fст = 1 : 1,06 : 1,11 (4);
при толстостенном и мелком литье,
∑Fn : Fшп : Fст = 1 : 1,5 : 2 (5);
при среднем и крупном литье;
б) для стали:
∑Fn : Fшп : Fст = 1 : 1,1 : 1,2 (6);
в) для цветных сплавов:
∑Fn : Fшп : Fст = 1,5 : 1,0 : 0,9 (7);
Так как при охлаждении отливки металл имеет усадку, то во избежание образования усадочных раковин в отливке, в массивных частях ставят прибыли.
Примерный размер прибыли:
- диаметр прибыли принимается в 1,3 раза больше толщины стенки или питаемого узла;
- высота прибыли в 1,5 раза больше ее диаметра;
- протяженность прибыли составляет 30-40% от протяженности отливки;
- на долю прибылей приходится от 30-50 % веса жидкого металла, заливаемого в форму.
3.4. Определение размеров формы и выбор опок.
Установив рациональное число получаемых в форме отливок и минимальную толщину стенок формы, экономно разместив отливки и элементы литниково – питающей системы, определяют расчетные размеры формы, которые будут окончательно установлены после выбора стандартных размеров опок, которые регламентирующиеся ГОСТ 2133-75.
3.5. Выбор необходимого оборудования и установление технологических параметров и условий получения качественных отливок.
Для производства литейных песчаных форм, руководствуясь размерами применяемых опок, выбирают формовочные машины и пескометы. Оборудование для специальных методов литья также выбирается при проектировании технологического процесса получения отливки.
На заключительной стадии проектирования технологического процесса литья решают следующие вопросы:
- выбирают состав формовочных и стержневых смесей, состав противопригарных красок;
- устанавливают режимы упрочнения (подсушки, химического твердения) форм и стержней;
- выбирают температуру расплава (табл.14) и формы при заливке;
- определяют длительность выдержки отливки в форме;
- устанавливают методы и режимы выбивки отливки из формы, очистки, окраски, термообработки и контроля.
Таблица 14
Рекомендуемая температура заливки сплавов, 0С
|
Сплав |
Толщина стенки отливки, мм |
||||||
|
До 4 |
4-10 |
10-20 |
20-50 |
50-100 |
100-150 |
св. 150 |
|
|
Чугун |
1450-1360 |
1430-1340 |
1400-1320 |
1380-1300 |
1340-1230 |
1300-1200 |
1280-1180 |
|
Сталь |
1590-1620 |
1580-1610 |
1570-1600 |
1560-1590 |
1550-1580 |
1530-1580 |
1520-1540 |
|
Бронза |
1200-1180 |
1180-1160 |
1160-1140 |
1140-1120 |
1100-1110 |
1080-1100 |
1060-1080 |
|
Латуни |
1050-1030 |
1030-1010 |
1010-1000 |
980-960 |
980 |
980 |
980 |
|
Алюминие-вые сплавы |
780-760 |
760-740 |
740-720 |
720-700 |
700-680 |
680 |
680 |
Время затвердевания отливки рассчитывают по формуле:
(8);
где τ - время охлаждения отливки, мин
V - объем отливки, м3
γ - удельный вес сплава, кг/м3
Вф - коэффициент аккумуляции тепла формой,
F - площадь поверхности отливки, м2
С - удельная теплоемкость отливки
L - теплота кристаллизации
Т3,ТL,ТS,Тк,ТВ,Тф - температура заливки, ликвидуса, солидуса, кристаллизации, выбивки, формы; град.
Все значения теплофизических величин приведены в табл. 15.
Таблица 15
Значения теплофизических величин для расчета времени затвердевания отливки
|
Обозначение и размерность |
Сплав |
|||||
|
Сталь углероди-стая |
Сталь легирован-ная |
Бронза |
Латунь |
Чугун |
Алюминие-вые сплавы |
|
|
Вф, |
17,0 |
17,0 |
17,0 |
17,0 |
17,0 |
17,0 |
|
γ, |
7500 |
7600 |
8800 |
8600 |
7200 |
2800 |
|
С1΄ / С1 |
||||||
|
t3,°C |
1590 |
1610 |
1240 |
1180 |
1320 |
760 |
|
tL,°C |
1500 |
1500 |
100 |
1080 |
1300 |
650 |
|
tS,°C |
1450 |
1460 |
950 |
1040 |
1150 |
548 |
|
tB,°C |
500 |
500 |
300 |
300 |
500 |
200 |
|
tф,°C |
25 |
25 |
25 |
25 |
25 |
25 |
|
tкр,°C |
1475 |
1480 |
975 |
1060 |
1225 |
599 |
|
L1, |
61,8 |
62,0 |
51 |
50 |
64 |
90 |
В результате проектирования технологического процесса получения отливки составляется чертеж элементов литейной формы, чертежи и эскизы собранной (готовой к заливке) формы, модельных плит (с расположение моделей, элементов литниковой питающей системы, направляющих штырей), стержневых ящиков, подопочных щитков, плит для сушки стержней и контрольных шаблонов. Кроме того разрабатываются технологические карты и инструкции, которые включают общие данные, а именно: наименование детали, номер чертежа, массу отливки, количество расплава, необходимого для ее получения, данные о химическом составе сплава и механических свойствах отливки, способ формовки и применяемые формовочные машины, размеры применяемых опок и других приспособлений, составы смесей и противопригарных красок, количество применяемых стержней и порядок их установки в форму, размеры сечений элементов литниковой системы, температура заливки, а также нормы времени на выполнение основных операций.
Главным требованием к выбору способа изготовления заготовки является возможность максимального приближения ее геометрии к размерам детали. Оценку оптимальности конструкции детали и прогрессивности примененного способа изготовления заготовки можно провести с помощью следующих показателей:
Коэффициента выхода годного, КВГ;
Коэффициента массовой точности, КМТ;
Коэффициента использования металла, КИМ;
Коэффициент выхода годного характеризует использование металла в заготовительном производстве, т.е. эффективность применяемых технологий изготовления заготовок. КВГ определяют из соотношения массы заготовки М3, к массе исходного металла Мим :
КВГ = М3 / Мим.
В литых заготовках массу М3 принимают без литниковой системы, прибылей, выпоров, безвозвратных потерь (потерь на угар ~ 1% массы исходного металла; разбрызгивание - до 1-3% от массы исходного металла). В качестве массы исходного материала при литье может быть масса жидкого металла, заливаемого в форму.
Коэффициент массовой точности характеризует степень приближения размеров заготовки к размерам детали. По коэффициенту КМТ оценивают рентабельность принятой заготовки, т.к. он зависит как от массы и конструкции детали, так и от массы и конструкции заготовки. КМТ определяют из отношения массы готовой детали Мд к массе заготовки М3 :
КМТ = Мд / М3.
Коэффициент использования металла показывает общий расход металла на изготовление данной детали. КИМ определяют из отношения массы детали Мд к массе исходного металла Мим.:
КИМ = Мд / Мим.
Порядок выполнения работы
Для выполнения задания необходимо:
ПРИЛОЖЕНИЕ
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ»
____________________________________________________________________
Кафедра материаловедения, сварки и структурообразующих технологий
ОТЧЁТ
по лабораторной работе №
ЛИТЬЕ В ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫЕ ФОРМЫ.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК И
РАСЧЕТ ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИХ СИСТЕМ
Выполнена студентом _______________________гр._________Вар. №
Цель работы:
1. Чертёж детали
2. Материал:
3. Обоснование выбора плоскости разъёма штампа.
4. Назначение припусков на механическую обработку и допусков на размеры (мм).
|
Размер детали, мм |
Припуск, мм |
Допуск, мм |
Размер отливки, мм |
9 Выбор типа, проектирование и расчет литниково-питающей системы
10.Определение габаритов опок
11.Определение размеров литейной формы
12. Оценка эффективности способа изготовления заготовки
13.Выводы по работе.
Дата выполнения работы:
________________________
Подпись преподавателя_______
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Конструкция и параметры литниковых систем
ДЛЯ ЧУГУНА
ΣFпит = =
G - масса отливки с литниками и прибылями, г.
S - коэффициент, характеризующий толщину стенки отливки δ
|
δ, мм |
10 |
11-20 |
21-40 |
св.40 |
|
S |
1,0 |
1,3 |
1,5 |
1,7 |
H р = h ст – р2 /2h отл
Здесь р - расстояние от уровня подвода металла до верхней точки полости формы, м ;
hcт = р+1/2 hотл - при боковой системе;
hcт = 1/2 hотл - при верхней;
hcт = 1/2 hотл - при нижней.
Значения Hр, p, hст выбирают в зависимости от типа литниковой системы (рис.7).
а б в
Рисунок 7. – Расчет литниковой системы. а – боковой подвод; б – верхний подвод; в – нижний подвод металла.
|
ΣFn |
ΣFшл |
ΣFст |
Сплав отливки |
|
|
1 |
1,0 |
1,05 |
1,1 |
Мелкие отливки из чугуна |
|
2 |
1,0 |
1,1 |
1,2 |
Для средних и крупных отливок |
|
3 |
1,0 |
1,2 |
1,3 (1,4) |
Для крупных отливок |
1. Fшл = 1,05 ΣFnит Fст = 1,1 ΣFnит
2. Fшл = 1,1 ΣFnит Fст = 1,2 ΣFnит
3. Fшл = 1,2 ΣFnит Fст = 1,3 ΣFnит
Fnит - площадь питателя, см
Fшл - площадь шлакоуловителя, см
Fст - площадь стояка, см
ДЛЯ СТАЛИ
ΣFnит =
L = 0,85 - углеродистые стали
L = 1,0 - низколегированные стали
L = 1,15 - легированные стали
ку - удельная скорость заливки, кг/см2 · с
V - габаритный объем, дм3 кV =
|
ку (кг/дм3) |
0-1 |
1-2 |
2-3 |
3-4 |
4-5 |
5-6 |
св. 6 |
|
литье в сырые формы |
0,45 |
0,5 |
0,55 |
0,6 |
0,66 |
0,74 |
0,82 |
|
литье в сухие формы |
0,97 |
1,02 |
1,12 |
1,2 |
1,29 |
1,38 |
1,49 |
ΣFпит : Fшл : Fст = 1 : 1,1 : 1,2
ДЛЯ МЕДНЫХ СПЛАВОВ
ΣFnит =
|
δ, мм |
до 6 |
7-10 |
11-15 |
16-20 |
21-40 |
40-60 |
св. 60 |
|
S |
0,65 |
0,7 |
0,75 |
0,8 |
0,9 |
1,1 |
1,2 |
кV =
V - габаритный объем отливки, дм3
G - масса отливки кг
|
кV |
0,3-0,5 |
0,6-1,0 |
1,1-1,5 |
1,6-2,0 |
2,1-2,5 |
2,6-3,0 |
|
ку |
0,3 |
0,35 |
0,4 |
0,45 |
0,5 |
0,55 |
|
кV |
3,1-4,0 |
4,1-5,0 |
5,1-6,0 |
6,1-8,0 |
||
|
ку |
0,6 |
0,65 |
0,7 |
0,75 |
Для Al бронзы ку меньше на 0,05
Для бронзы : ΣFпит : Fшл : Fст = 3 : 1,2 : (2….1,2)
Для латуни: ΣFпит : Fшл : Fст = 1 : 1,3 : (1,6 ….2)
ДЛЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
ΣFnит =
|
δ, мм |
до 6 |
7-10 |
11-15 |
16-20 |
21-40 |
40-60 |
св. 60 |
|
S |
1,8 |
2,0 |
2,2 |
2,4 |
2,6 |
3,0 |
3,0 |
|
V, мм/с |
40 |
20 |
15 |
10 |
10 |
8 |
8 |
Fст : Fкол : ΣFпит = 1 : (1,5…3,0) : (3….6)
Fст : Fкол : ΣFпит = 1 : 2 : 4(3)
t = S v = Н/t Н - высота отливки.
Fст - площадь стояка.
Fкол - площадь коллектора.
Fпит - площадь питателя.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Задания по технологии литья
1.Отливка «Маховик»
Материал СЧ15
Масса 3,7 кг
Серийность -100 шт
2.Отливка «Крышка»
Материал СЧ21
Масса 10 кг
Серийность -4000 шт
3.Отливка «Текстропный шкив»
Материал СЧ18
Масса 880 кг
Серийность -10 шт
4.Отливка «Патрубок масляного фильтра»
Материал СЧ18
Масса 57 кг
Серийность -200 шт
5.Отливка «Рычаг»
Материал Сталь 45Л
Масса 1 кг
Серийность -800 шт
6.Отливка «Звездочка»
Материал Сталь 30ХНЛ
Масса 225 кг
Серийность -1000 шт
7.Отливка «Конус»
Материал Сталь 35Л
Масса 23500 кг
Серийность -20 шт
8.Отливка «Маховик»
Материал СЧ 18
Масса 5400 кг
Серийность -10 шт
9.Отливка «Корпус регулятора»
Материал СЧ 21
Масса 70 кг
Серийность -100 шт
10.Отливка «Крышка»
Материал Сталь 35Л
Масса 2 кг
Серийность -5000 шт
1 Критические точки углеродистых сталей были впервые открыты великим русским учёным Д.К. Черновым в конце XIX в. Чут позже французский учёный Осмонд подтвердил открытие и предложил обозначать температуры, в которых в стали происходят превращения, критическими токами А1, А2, А3 (от слова «arret» - остановка, так, как при этих температурах на кривых охлаждения или нагревания наблюдаются остановки – площадки). При этом в случае нагревания ставится ещё дополнительный индекс «с» (от слова «chauffe» -нагревание), а в случае охлаждения – индекс «r» (от «refroidissment» - охлаждение).
2 Классификация сталей приводится в разделе 3.1
3 В эту классификационную группу входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1—3% и поэтому обладающие повышенной прокаливаемостью.
Температура отпуска
σв σв ввσв в в
Температура нагрева, °С
σв
1.2. Дать определение структур: а) Аустенит -