Задание по работе. 1 Изучить теорию и технологию химико-термической обработки

1 Изучить теорию и технологию химико-термической обработки.

2 Провести микроанализ шлифов коллекции образцов, подвергнутых химико-термической обработке. Определить и записать микроструктуру диффузионных слоев и сердцевины (микроструктуры стали и технического железа, подвергнутых цементации и азотированию, объяснить в связи с диаграммами состояния « железо-цементит » и « железо-азот »).

3 Изобразить графически схемы химико-термической и термической обработки, объяснить их, указав назначение проведенных режимов обработки.

4 Указать области целесообразного применения рассмотренных видов химико-термической обработки.

5 Указать марки сталей, подвергаемых рассмотренным видам химико-термической обработки.

16 Лабораторная работа № 16. Цветные металлы и сплавы

Цель работы: изучение микроструктуры и свойств цветных металлов и сплавов и установление связи между структурой сплава и соответствующей диаграммой состояния.

В отличие от железа и его сплавов, которые называются черны­ми, все остальные металлы и сплавы называются цветными. В настоя­щее время наиболее широко применяются в различных областях народного хозяйства сплавы на основе алюминия и меди.

Алюминий и его сплавы. Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной кубической ре­шетке. Наиболее характерные свойства его – малый удельный вес (g = 2,7), низкая температура плавления (657 ^оС), высокая тепло- и электропроводность, высокая пластичность.

Алюминий – один из важнейших промышленных металлов, он находит широкое применение в электротехнике, в химическом аппаратострое­нии, в быту и других областях. Применение его как конструкционного материала в технике ограничено низкой прочностью (s_В = 8-10 кг/мм²).

Алюминий значительно упрочняется путем введения различных легирую­щих элементов, что позволяет получить сплавы с высокими прочност­ными свойствами.

Применяющиеся в технике алюминиевые сплавы делятся на дефор­мируемые и литейные.

Деформируемые сплавы. Наиболее распространенным представите­лем этой группы является дюралюминий (Д1, Д16), который кроме алю­миния содержит около 4 % Cu, 1 % Mg, 1 % Mn и менее 0,7 % Fe и Si. Ос­новными легирующими элементами являются медь и магний, поэтому этот материал может быть причислен к сплавам системы Al-Cu-Mg. Кремний и железо являются постоянными примесями, попадающими в сплав вследствие применения недостаточно чистого алюминия. Марга­нец вводится в дюралюминий главным образом для повышения коррозионной стойкости. Перечисленные компоненты образуют ряд растворимых соединений CuAl, CuMgAl₂ (S-фаза), Mg₂Si, вызывающих упрочнение сплава в процессе термической обработки, заключаю­щихся в закалке от 500 ^оС в воде с последующим естественным старе­нием в течение 5-7 суток. Железистые и марганцовистые соединения в процессе закалки не растворяются. Диаграмма состояния Al-Cu представлена на рисунке 16.1.

Рисунок 16.1 – Диаграмма состояния Al-Cu

Структура дюралюминия в отторженном состоянии состоит из твер­дого раствора и вторичных включений различных интерметаллических соединений. В закаленном состоянии структура состоит из пересы­щенного твердого раствора и нерастворимых железистых и марганцо­вистых соединений.

Литейные сплавы. В качестве литейных сплавов на основе алюми­ния широкое распространение имеют силумины – алюминиевокремистые сплавы (5-14 % Si). Диаграмма состояния системы Al-Si представлена на рисунке 16.2. Силумины обладают высокой жидкотекучестью, ма­лой усадкой, удовлетворительной коррозионной стойкостью и приме­няются для получения отливок сложной формы. Типичным силумином яв­ляется эвтектический сплав (11-12% Si), структура которого имеет игольчатую эвтектику (основа сплава), состоящую из твердого раствора кремния в алюминии a и небольшого количества грубых игольчатых включений Si (рисунок 16.3, а).

Повышение прочности и пластичности силумина достигается модифицированием – введением в расплав перед разливкой незначительного количества натрия и его солей. При этом изменяется структура сплава: кристаллы кремния вместо игольчатых становятся округлыми.

Введение модификатора вызывает смещение линии начала кристаллизации кремния в сторону более высокого содержания кремния и более низких температур. Эвтектический сплав с 11-12 % Si в этом случае становится доэвтектическим (рисунок 16.3, б).

Рисунок 16.2 – Диаграмма состояния Al-Si

а) б)

а – немодифицированный; б – модифицированный

Рисунок 16.3 – Микроструктура силумина АЛ2

При более высоких требованиях к прочностным свойствам приме­няют специальные силумины - доэвтектические сплавы с 4-10 % Si с добавками меди, магния, марганца. Эти сплавы способны упрочняться при термической обработке. Маркировка сплавов АЛ: буквы указывают, что это алюминиевый (А), литейный (Л) сплав; цифры – порядковый номер в ГОСТе.

Медь и ее сплавы. Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Удельный вес меди 8,94 г/см³, температура плавления 1083 ^оС. Она обладает вы­сокой теплопроводностью, электропроводностью, пластичностью в го­рячем и холодном состояниях и широко применяется в различных об­ластях техники. Кроме того, медь является основой важнейших сплавов – латуней и бронз.

Сплавы меди с цинком (латуни). Практическое применение имеют сплавы с содержанием цинка до 45 %, которые называются латунями. Равновесная диаграмма состояния для этой системы приведена на рисунке 4. По структуре латуни делятся на две группы:

– сплавы с содержанием цинка до 39 % являются однофазными со структурой твердого раствора цинка и меди (a);

– сплавы с содержанием цинка более 39 % имеют двухфазную структуру (a+b); b-твердый раствор на базе соединения CuZn с электронным типом связи имеет кубическую объемно-центрированную ре­шетку (рисунок 16.5).

Рисунок 16.4 – Диаграмма состояния Cu-Zn

Рисунок 16.5 – Микроструктура литой двухфазной латуни

Цинк до определенного предела повышает прочность и пластич­ность сплавов. Максимальной пластичностью обладают материалы с 30 % Zn. Переход через границу однофазной области (39 % Zn) приводит к резкому снижению пластичности. Максимальной прочностью обладает b-латунь при содержании цинка 45 %. Однако пластичность ее относитель­но низка.

Литейные свойства двухфазных латуней характеризуются хорошей жидкотеку­честью, малой склонностью к ликвации, способностью к образованию концентрированной усадочной раковины. Латуни легко поддаются плас­тической деформации, поэтому их используют для производства лис­тов, лент, профилей. Причем для прокатки в холодном состоянии при­меняют латуни с содержанием цинка до 30 % (a-латуни), а для про­катки в горячем состоянии наиболее пригодны латуни со структурой a+b (при температуре обработки структура состоит из одной – b-фазы).

Кроме простых латуней – сплавов меди и цинка, применяются специальные латуни, в которые для придания тех или иных свойств дополнительно вводят различные элементы: свинец для улучшения об­рабатываемости, олово для повышения сопротивления коррозии в морской воде, алюминий и никель для повышения механических свойств. Марки латуней начинаются с буквы Л, далее следуют буквы, указывающие нам наличие определенных легирующих элементов, цифры указывают концентрацию меди и легирующих элементов.

Бронзы. Бронзами называются сплавы меди с оловом или другими элементами (за исключением цинка). В зависимости от основного ле­гирующего элемента бронзы разделяются на оловянистые, алюминиевые, бериллиевые, марганцовистые и т. д. Марки бронз начинаются с букв Бр. И далее следуют буквы, показывающие наличие определенных леги­рующих элементов, и цифры, указывающие их содержание. Бронзы при­меняют для получения отливок и полуфабрикатов, изготовляемых обра­боткой давлением.

Оловянистые бронзы. Практическое применение имеют сплавы меди с оловом, содержащие до 20 % Sn. Характер взаимодействия меди с оловом при их сплавлении определяется диаграммой состояния медь­-олово (рисунок 16.6).

Необходимо отметить, что широкая область a-твердых растворов, указанная на диаграмме сплошной линией, характерна только лишь для равновесных сплавов. В реальных условиях охлаждения при литье в металлические и земляные формы эта область значительно сужается (пунктирная линия).

Все промышленные бронзы по микроструктуре можно условно раз­делить на две группы: однофазные a-бронзы и двухфазные a + эвтектоид (a+d). Дельта-фаза представляет собой электронное соединение Cu₃₁Sn₈. К числу однофазных сплавов относятся бронзы с содержанием 5-6 % Sn. Бронзы, содержащие свыше 6 % Sn, являются двухфазными. Од­нофазные бронзы обладают хорошей пластичностью и используются как деформируемые материалы. Двухфазные применяются исключительно в литом виде.

Рисунок 16.6 – Диаграмма состояния Cu-Sn

Для удешевления в большинство промышленных бронз добавляют 5-10 % Zn. Цинк в этих количествах растворяется в меди и не оказывает существенного влияния на структуру. Для улучшения обрабатываемости в бронзу вводят 3-5 % Pb, который присутствует в виде обо­собленных свинцовистых включений, фосфор вводится в бронзу как раскислитель.

Алюминиевая бронза. Наиболее распространены алюминиевые бронзы, содержащие 5-11 % Al. Сплавы на основе меди с содержанием до 9,8 % имеют однофазную структуру твердого раствора алюминия в меди (a) (рисунок 16.7). При больших концентрациях алюминия сплавы имеют двухфазную структуру, состоящую из твердого раствора (a) и эвтектоида (a+g¢). Фаза g является твердым раствором на основе электронного соединения Cu₃₂Al₁₉ со сложной кубической решеткой (рисунок 16.8).

Алюминиевые бронзы среди медных сплавов выделяются высокими механическими, коррозионными и антифрикционными свойствами, в свя­зи с чем их широко используют в машиностроении для деталей конструкционного назначения. Наряду с простыми алюминиевыми бронзами используют сложные бронзы. При введении железа до 4 % происходит измельчение a-фазы, повышение твердости и прочности бронзы за счет его растворения в меди. Благоприятное влияние на свойства оказы­вают небольшие добавки марганца. Упрочняющее действие марганца связано с легированием твердого раствора. Легирование никелем приво­дит к повышению жаропрочности бронз.

Рисунок 16.7 – «Медный» участок диаграммы состояния Cu-Al

Рисунок 16.8 – Микроструктура литой бронзы БрА10

Бериллиевая бронза обладает исключительно ценными качест­вами, диаграмма состояния этой системы приведена на рисунке 16.9. Она имеет высокую прочность и твердость, повышенный предел упругости и усталости. Бериллиевая бронза является ценным пружин­ным материалом, она с успехом применяется для изготовления дета­лей, работающих на износ. Этот материал не дает искр при ударе, кроме того, он не магнитен. Большую часть продукции из бериллиевой бронзы выпускают в виде деформированных полуфабрикатов. Бериллие­вая бронза является также хорошим литейным материалом.

Рисунок 16.9 – Диаграмма состояния Cu-Be

Наиболее высокие механические свойства имеют сплавы с 2,0-2,5 % бериллия. Как видно из диаграммы состояния, они являются дисперсионно-твердеющими. Растворимость бериллия в меди при ком­натной температуре не превышает 0,2 %. Закалка с 800 ^оС фиксирует пересыщенный раствор бериллия в меди. Последующее искусственное старение при 300 – 350 ^оС приводит к резкому повышению твердости и прочности, которое связано с выделением из твердого раствора g (CuBe) – фазы в форме дисперсных включений.

Широкому распространению бериллиевой бронзы препятствует ее высокая стоимость и дефицитность.

Легкоплавкие подшипниковые сплавы (баббиты). Подшипниковыми сплавами называются материалы, из которых из­готавливаются вкладыши подшипников скольжения. При применении очень мягких легкоплавких сплавов (баббитов) гарантируется минимальный износ шейки вала. Кроме того, они имеют минимальный коэффициент трения со сталью и хорошо удерживают смазку.

По условиям работы подшипниковый сплав должен иметь гетерогенную структуру и состоять из мягкой основы и твердых включений. Мягкая основа обеспечивает хорошую прирабатываемость подшипника к валу, твердые включения служат опорными точками для трущихся частей вала. Небольшая по­верхность соприкосновения вала и вкладыша уменьшают трение, а име­ющиеся промежутки между валом и мягкой основой обеспечивают хоро­шую смазку.

В качестве баббитов применяются сплавы системы Pb-Sb, диаграмма состояния которой приведена на рисунке 16.10, Sn-Sb, Pb-Sn-Sb, а также баббиты на основе цинка с добавками Cu, Al и баббиты на основе алюминия с добавками Cu, Sb, Ni.

Рисунок 16.10 – Диаграмма состояния Pb-Sb

Широкое применение в промышленности получили заэвтектические сплавы системы свинец-сурьма (БС), содержащие 16-18 % Sb. Мягкой основой в этом сплаве является эвтектика (a+b), твердость которой составляет 7-8 НВ. Твердость включений сурьмы составляет 30 НB. Микроструктура баббита БС, содержащего 16-18 % Sb, приведена на рисунке 16.11. Двойные заэвтектические сплавы системы свинец-сурьма сильно ликвируют. Кристаллы b (твердый раствор свинца в сурьме) при отливке всплывают наверх. Для предотвращения ликвации b-кристаллов в сплав вводится медь (1-2 %), которая образует с сурьмой химическое соеди­нение Сu₃Sb. Это соединение, кристаллизуясь первым, образует ске­лет, на котором задерживаются b-кристаллы.

В системе олово-сурьма (Sn-Sb) олово имеет низкую твердость 5 HВ. Для под­шипников скольжения наиболее подходящим является сплав, состоящий из 10-13 % Sb и 87 % Sn, имеющий двухфазную структуру a+b¢, где a-твердый раствор на основе олова (мягкая составляющая); b¢-твердый раствор на базе интерметаллического соединения SnSb (твер­дые включения).

Рисунок 16.11 – Микроструктура баббита БС