Методы и условия получения сталей с мелкозернистой структурой.
— Методы получения мелкозернистой структуры сталей.
— Условия формирования мелкозернистой структуры.
— Условия формирования мелкозернистой структуры при термообработке.
Методов получения мелкозернистой структуры сталей (если рассматривать металлургию в общем виде) существует, условно, всего два:
— при плавильном и литейном производстве с помощью введения модификаторов (растворимых поверхностных и нерастворимых внедряемых веществ-центров кристаллизации);
— процесс перекристаллизации в условиях проводимой термической обработки (нормализации или отжига) с последующим контролем величины зерен по ГОСТ 5639-82.
Условия формирования мелкозернистой структуры.
При производстве или обработке сталей мелкое зерно необходимо для получения необходимых (заданных технологически) физических и механических свойств. Процесс кристаллизации сталей является процессом неотвратимым (происходит при остывании отливок или нагревании готовых металлических изделий до рассчитываемых температур).
Искусственное уменьшение размеров зерна происходит путем вмешивания в расплав нерастворимых нитридных, сульфидных и оксидных частиц. От количества этих частиц зависит количество образуемых кристаллов в условиях ограниченного объема металла.
«Поверхностные» модификаторы являются растворимыми активными веществами, которые действуют методом «от обратного» — осаждаясь на только сформировавшихся кристаллах предупреждают их дальнейший рост.
Условия формирования при термообработке.
Суть отжига и нормализации в нагреве обрабатываемого изделия (или его части) выше температур Ас1, Ас3 (для отжига) и между ними (для нормализации). Но более важными составляющими и необходимыми условиями является выдержка при температуре (время для выдержки берется по таблице или рассчитывается индивидуально в зависимости от габаритов, толщины и конкретной марки стали) и остывание.
Остывание может происходить вместе с печью (характерно для легированных сталей 12ХН3А или Х12МФ) или на спокойном воздухе (традиционные конструкционные стали ст40, 40Х, 45 и 40ХН).
Самые сложные условия требуются при придании мелкозернистой структуры сварным швам. Кроме классической нормализации необходимо снять создавшиеся напряжения, что требует опыта термиста и очень хорошего оборудования.
Получение мелкозернистой структуры зависит еще и от методики нагрева (электричество или газ), при этом надо понимать, что оба варианта частично «выжигают» примеси, поэтому все работы происходят под постоянным контролем с отбором образцов и их экспресс-анализом.
В качестве справочной информации: снижению величины зерен способствуют – карбиды титана, молибдена и вольфрама. Катализируют рост зерен в отливках: марганец и фосфор.
Оставить комментарий Отменить ответ
Рубрики блога
Подписка на новости
Подписавшись, вы сможете получать анонсы новых публикаций нашего сайта на свою электронную почту.
Источник
Условия получения мелкозернистой структуры
Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.
Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды.
Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.
Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.
Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы,
По механизму воздействия различают:
Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.
Поверхностно — активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.
Строение металлического слитка
Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.3.7.
Рис. 3.7. Схема стального слитка
Слиток состоит из трех зон:
мелкокристаллическая корковая зона;
зона столбчатых кристаллов;
внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.
Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.
Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.
Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты (рис. 3.8). Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.
Рис.3.8. Схема дендрита по Чернову Д.К.
Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.
З
оны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называетсятранскристаллизацией.
Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.
В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка)
Методы исследования металлов: структурные и физические
Металлы и сплавы обладают разнообразными свойствами. Используя один метод исследования металлов, невозможно получить информацию о всех свойствах. Используют несколько методов анализа.
Определение химического состава.
Используются методы количественного анализа.
1. Если не требуется большой точности, то используют спектральный анализ.
Спектральный анализ основан на разложении и исследовании спектра электрической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным электродом и исследуемым металлом.
Зажигается дуга, луч света через призмы попадает в окуляр для анализа спектра. Цвет и концентрация линий спектра позволяют определить содержание химических элементов.
Используются стационарные и переносные стилоскопы.
2. Более точные сведения о составе дает рентгеноспектральный анализ.
Проводится на микроанализаторах. Позволяет определить состав фаз сплава, характеристики диффузионной подвижности атомов.
Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.
1. Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.
Осуществляется после предварительной подготовки исследуемой поверхности (шлифование и травление специальными реактивами).
Позволяет выявить и определить дефекты, возникшие на различных этапах производства литых, кованных, штампованных и катанных заготовок, а также причины разрушения деталей.
Устанавливают: вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле.
2. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.
Образцы – микрошлифы с блестящей полированной поверхностью, так как структура рассматривается в отраженном свете. Наблюдаются микротрещины и неметаллические включения.
Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по разному. Можно выявить форму, размеры и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.
Кроме световых микроскопов используют электронные микроскопы с большой разрешающей способностью.
Изображение формируется при помощи потока быстро летящих электронов. Электронные лучи с длиной волны (0,04…0,12 ) ·10 -8 см дают возможность различать детали объекта, по своим размерам соответствующе межатомным расстояниям.
Просвечивающие микроскопы. Поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Различают косвенные и прямые методы исследования.
При косвенном методе изучают не сам объект, а его отпечаток – кварцевый или угольный слепок (реплику), отображающую рельеф микрошлифа, для предупреждения вторичного излучения, искажающего картину.
При прямом методе изучают тонкие металлические фольги, толщиной до 300 нм, на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла.
Растровые микроскопы. Изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже, чем у просвечивающих микроскопов.
3. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций.
Физические методы исследования
1. Термический анализ основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Данный метод позволяет определить критические точки.
При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергииколебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы.
Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.
3 .Магнитный анализ.
Используется для исследования процессов, связанных с переходом из паромагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Мелкозернистая структура — сплав
Мелкозернистая структура сплава получается путем интенсивного мокрого размола смеси и последующего спекания спрессованных изделий при пониженной температуре. [1]
В последних исследованиях установлено, что мелкозернистая структура сплавов образуется не в результате улучшения смачиваемости карбида титана связующей фазой с введением молибдена, а вследствие образования на начальной стадии спекания кольцевой структуры. [3]
Основные преимущества этого метода литья следующие: мелкозернистая структура сплава , получаемая вследствие большой скорости кристаллизации; повышенная плотность металла отливок и хорошие механические свойства их; снижение расхода металла. [4]
Благодаря этому коалесценция частиц твердого раствора происходит в меньшей мере и возможно получение более мелкозернистой структуры сплавов . [5]
Вольфрамовые твердые сплавы имеют твердость до 91 HRA, предел прочности при изгибе до 1700 МПа, красностойкость 800 — 850 С. Мелкозернистая структура сплава повышает его износостойкость, но уменьшает прочность, крупнозернистая — наоборот. Таким образом, например, в сплаве ВК6 — ОМ содержится 6 % кольбата, 2 % карбидов тантала и 92 % карбидов вольфрама с особо мелкозернистой структурой. [6]
Одним из методов получения сочетания высокой прочности, хорошей вязкости и свариваемости стали является уменьшение размера зерен, феррита. Мелкозернистую структуру сплавов можно сформировать принципиально различными способами — изменением температурных условий затвердевания слитка, легированием расплава элементами-модификаторами, определенной схемой пластического деформирования слитков и листов. [7]
Механизация и автоматизация обеспечивают высокую производительность при значительном снижении трудоемкости и стоимости отливок. Вследствие быстрого затвердевания получается мелкозернистая структура сплава , что определяет его высокие механические свойства. Отливки получают с высокой точностью по размерам и чистой поверхностью, что уменьшает или совсем исключает их последующую механическую обработку. [8]
Эффект же старения зависит от количества магния и кремния в сплаве, содержание которых можно держать на верхнем пределе. Повышенное содержание марганца в сплаве можно считать полезным, поскольку оно обеспечивает мелкозернистую структуру сплава . [9]
С из жидкого расплава одновременно выделяются кристаллы свинца и сурьмы. Выделяясь одновременно, они затрудняют рост друг друга, в результате чего образуется тонкая, мелкозернистая структура сплава — механическая смесь кристаллов свинца и сурьмы. [11]
Также печь может некоторое время эксплуатироваться без подачи очистного газа, в качестве которого в большинстве случаев используют аргон. В результате обработки металла инертным газом обеспечивается получение алюминия высокого качества, имеющего высокую чистоту, мелкозернистую структуру сплава , что обеспечивает повышение свойств отливок. [12]
Свойства сплавов зависят также от размеров зерен карбидной фазы, поэтому сплавы с размером зерен от 3 до 5 мкм относят к крупнозернистым и обозначают буквой В, например, сплав ВК8 — В. Сплавы, состоящие, в основном, из зерен размером менее 1 мкм, считают особо мелкозернистыми и обозначают буквами ОМ, например, ВК 10 — ОМ. Мелкозернистая структура сплава повышает его износостойкость, но уменьшает прочность, крупнозернистая — наоборот. [13]
Заливку обычно проводят в горячие формы сразу же после их прокаливания. Для тонкостенных отливок из стали форма должна иметь температуру 800 — 1000 С, для отливок из алюминиевых сплавов 300 — 400 С. Для толстостенных же отливок заливку производят в холодные формы для обеспечения более мелкозернистой структуры сплава . После охлаждения отливок сыпучие наполнители легко удаляют при опрокидывании опок, отверждающиеся наполнители — на вибрационных выбивных решетках. При этом оболочка легко отстает и удаляется от поверхности отливки. Удаление остатков керамической оболочки, в частности в полостях и отверстиях, и окончательную очистку поверхности отливок осуществляют в результате кипячения в 50 % — ном растворе едкого кали. [14]
Таким образом, кристаллизация указанных сплавов резко отличается от кристаллизации чистых металлов. Сплавы кристаллизуются в интервале температур, а чистые металлы — при постоянной температуре. Это объясняется тем, что при указанном сочетании компонентов и температуре 246 С из жидкого сплава одновременно выделяются кристаллы свинца и сурьмы. Образуясь одновременно, они затрудняют рост друг друга, в результате чего создается мелкозернистая структура сплава . Сплавы указанной концентрации называют эвтектическими. [15]
Источник
