Строение, структура и свойства чугунов типа "Ni-Resist"

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Строение, структура и свойства чугунов типа "Ni-Resist"

Гимазетдинова Чулпан Альбертовна

Введение

Кафедра материалов технологий и качества функционирует на базе «Набережночелнинского института (филиала) К(П)ФУ».

Цель работы кафедры: подготовка специалистов в области получения и контроля качества материалов. Для достижения этой цели кафедра располагает необходимой материально-технической базой, обеспечивающей проведение лекционных, лабораторных, практических занятий и научно-исследовательской работы обучающихся.

В настоящее время кафедра МТиК обеспечивает подготовку специалистов по следующим направлениям подготовки:

· «Материаловедение и технологии материалов» (бакалавриат);

· «Управление качеством» (бакалавриат);

· «Материаловедение и технологии материалов» (магистратура);

· «Инноватика» (магистратура).

Бакалавр по направлению «Материаловедение и технологии материалов» готовится к следующим видам профессиональной деятельности:

· научно-исследовательская и расчетно-аналитическая;

· производственная и проектно-технологическая;

· организационно-управленческая

На сегодняшний день отрасль «Материаловедение» играет важную роль в развитии научно-технического прогресса. Материаловедение способно охватить каждую область человеческой деятельности, что делает направление актуальным, а выпускников данного направления востребованными специалистами.

1. Теоретическая часть

аустенитный графит антифрикционный чугунный

1.1 Общая информация о чугунах: классификация, структура и свойства

Чугун - железоуглеродистый сплав, содержащий от 2,14 до 6,67% углерода. Углерод в нем может находиться в виде цементита (Fe3C) или графита или одновременно в виде цементита и графита.

По состоянию углерода в чугунах различают:

· белый чугун - углерод находиться в связанном состоянии (Fe3C);

· графитный чугун - углерод находится в свободном состоянии (графит).

Цементит придает излому специфический белый светлый блеск, поэтому чугун называется белым. Структура белых чугунов состоит из перлита и ледебурита.

Согласно диаграмме железо-цементит [1],на рисунке 1.1 представлены микроструктуры белых чугунов:

а) доэвтектические, содержащие 2,14 - 4,3% C. Структура - ледебурит, перлит и цементит вторичный и третичный;

б) эвтектические - 4,3% C. Структура - ледебурит;

в) заэвтектические - 4,3 - 6,67% C. Структура - цементит первичный и ледебурит.

Рисунок 1.1 - Микроструктура белых чугунов: а) - доэвтектический белый чугун, б) - эвтектический белый чугун, в) - заэвтектический белый чугун

Из-за большого количества цементита белые чугуны обладают высокой прочностью и износостойкостью, но при этом очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются.

Графит придает излому серый цвет. В зависимости от формы графита и содержания углерода, связанного в цементит, различают следующие группы чугунов (рисунок 1.2):

· Серый чугун

Ш Ферритный серый чугун - весь углерод находится в виде графита. Структура - феррит и пластинчатый графит.

Ш Ферритно-перлитный серый чугун - в виде цементита находится от 0,1 до 0,7% углерода. Структура - феррит, и пластинчатый графит.

Ш Перлитный серый чугун - 0,8% углерода находится в виде цементита. Структура - перлит и пластинчатый графит.

· Высокопрочный чугун

Ш Ферритный высокопрочный чугун. Структура - феррит и шаровидный графит.

Ш Ферритно-перлитный высокопрочный чугун. Структура - феррит, перлит и шаровидный графит.

Ш Перлитный высокопрочный чугун. Структура - перлит и шаровидный графит.

· Ковкий чугун

Ш Ферритный ковкий чугун. Структура - феррит и хлопьевидный графит.

Ш Ферритно-перлитный ковкий чугун. Структура - феррит, перлит и хлопьевидный графит.

Ш Перлитный ковкий чугун. Структура - перлит и хлопьевидный графит.

Рисунок 1.2 - Микроструктура графитных чугунов

Графит обеспечивает пониженную твердость, улучшает обрабатываемость резаньем и придает высокие антифрикционные свойства. Однако графитовые включения снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы сплава.

Благодаря наличию графита, чугун имеет некоторые преимущества перед сталью:

· наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой;

· графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна;

· наличие графитных включений быстро гасит вибрации и резонансные колебания;

· следует также указать на превосходство чугуна перед сталью по литейным свойствам. Более низкая температура плавления и окончание кристаллизации при постоянной температуре обеспечивает лучшую жидкотекучесть и заполняемость формы;

· графит, нарушая сплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным к дефектам поверхности, надрезам и т.д.

Указанные достоинства, а также относительная дешевизна делают чугун ценным конструкционным материалом, широко применяемым во многих отраслях промышленности.

1.2 Чугуны типа «Ni-Resist»: состав, структура и свойства.

Ni-Resist (от Ni - никель и латинского resist - сопротивляюсь) - никелевый чугун с аустенитной структурой [2].

Чугуны типа «Ni-Resist» представляют собой высоколегированные никелем сплавы на основе железа, с пластинчатой или шаровидной формой графита, с содержанием основных легирующих элементов порядка:

· Никеля (Ni) - 15 - 17%

· Меди (Cu) - 5 - 7%

· Хрома (Cr) - 0,8 - 2,4%

· Марганца (Mn) - 0,5 - 1,5%

· общее содержание углерода не превышает 3%

Рисунок 1.3 - Шаровидная форма графита в чугуне типа «Ni-Resist»

Согласно ГОСТ 7769-82 «Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки (с Изменением №1)», отечественным аналогом чугуна типа«Ni-Resist» выступает марка чугуна ЧН15Д7.

Рисунок 1.4 -Микроструктура чугуна марки ЧН15Д7

Для получения аустенитной структуры необходимо и достаточно, чтобы содержание легирующих элементов находилось в следующих диапазонах, % по массе [3]:

[Ni] + 2[Mn] + [Cu] ? 18 (1)

[Ni] + 2,5[Mn] + 18[C] ? 33 (2)

Главное преимущество чугунов аустенитного класса - немагнитность структуры. Данный вид сплава обладает низкой магнитной проницаемостью, что обеспечивает незначительные потери на гистерезис магнитного поля.

Помимо этого чугуны типа «Ni-Resist» обладают рядом и других свойств, удовлетворяющих требованиям для эксплуатации изделий в экстремальных условиях[4]:

· Жаропрочность. Выдержка чугуна нирезиста при 750?C на протяжении 10 суток приводит к потере 9 грамм металла; вес обычного серого чугуна же уменьшается почти на 0.1 кг.

· Ростоустойчивость. В условиях перегретого пара (480?C)рост аустенитной формы металла в 7 раз меньше чем у серого чугуна.

· Коррозионная стойкость

· Хладостойкость

2. Практическая часть

2.1 Изучение влияния различных модификаторов на структуру и свойства чугунов типа «Ni-Resist»

Высоконикелевые чугуны типа «Ni-Resist» разрабатывались как специальные марки для сложных фасонных отливок в нефтяном машиностроении и были рассчитаны на тяжелые условия работы в агрессивных средах при пониженных температурах эксплуатации (до минус 60?C).

С точки зрения повышения качества отливок из данного типа чугуна выделяются три актуальные проблемы [5]:

1) ограниченность применения термической обработки отливок в случае возникновения отбела при условии сохранения устойчивости аустенитной структуры при пониженных температурах;

2) модифицирование магнием, редкоземельными металлами и их лигатурами приводят к ухудшению литейных свойств расплава чугуна. Кроме того, при ковшевом модифицировании в структуре чугуна типа «Ni-Resist» часто образуются участки «черных пятен», в том числе, микропористости, ввиду повышенной склонности сплава к растворению газов;

3) высокая себестоимость получения чугуна при относительно низких литейных свойствах, что увеличивает количество потерь от брака в сложных фасонных отливках.

Изменяя химический состав чугуна и технологию модифицирования, теоретически возможно получение стабильной аустенитной матрицы, при этом сохраняя возможность термической обработки отливок без потери ростоустойчивости. Так, например, в чугуне типа «Ni-Resist» сильными элементами по влиянию на ростоустойчивость являются: углерод, никель и марганец.

Модифицирование обеих марок чугуна произведено ферросилицием Ферросилиций - кремниево-железный сплав, отличающийся отменными прочностными показателями. ФС75 в открытых чайниковых ковшах в количестве 0,3% от массы расплава в ковше. Температура нагрева расплава составляла от 1510 до 1530?C, температура модифицирования составляла в пределах от 1430 до 1450?C. Для получения более точного результата и, чтобы легче было провести сравнительный анализ, использовано несколько плавок каждой марки.

В таблице 2.1 представлен химический состав чугуна марки ЧН15Д7 и экспериментальной марки чугуна типа «Ni-Resist»[5]. За конечный результат принято среднее арифметическое значение от не менее 3-х замеров.

Таблица 2.1 - Химический состав чугунов

Снижение содержания хрома, никеля и меди при увеличении содержания марганца в экспериментальной марке критического влияния на ростоустойчивость образца не оказало (таблица 2.2)[5].

Таблица 2.2 - Средние результаты испытания чугунов на ростоустойчивость

Сравнение результатов экспериментальных плавок:

· прочностные характеристики экспериментальной марки (170 - 190 МПа) выше, чем чугуна марки ЧН15Д7 (150 - 180 МПа);

· твердость отливок экспериментальной марки (175 - 200 HB) выше, чем марки чугуна ЧН15Д7(150 - 175 HB);

· чугун марки ЧН15Д несколько лучше обрабатывается резанием, чем чугун экспериментальной марки.

2.2 Анализ структурных методов исследования металлов и сплавов.

Качество материала определяется главным образом его свойствами, химическим составом и структурой. Свойства материала зависят от его структуры.

Существуют различные методы изучения структуры материалов:

· Макроанализ позволяет выявить различные особенности строения и дефекты структуры, видимой невооруженным глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы;

· Микроанализ позволяет изучить структуру с помощью оптического микроскопа при увеличении до 3000 раз или электронного микроскопа при увеличении до 25000 раз;

· Рентгеновский анализ применяют для выявления внутренних дефектов;

· Магнитная дефектоскопия позволяет выявить дефекты в поверхностном слое материалов, обладающих магнитными свойствами, и основана на искажении магнитного поля в местах дефектов. Применяется с опорой на

ГОСТ Р 56512-2015 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод. Типовые технологические процессы», ГОСТ Р ИСО 9934-2-2011 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод. Часть 2. Дефектоскопические материалы», ГОСТ 53700-2009 (ИСО 9934-3:2002) «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод. Часть 3. Оборудование» и др.;

· Ультразвуковая дефектоскопия позволяет осуществлять контроль на большой глубине. Основана на том, что при наличии дефекта интенсивность проходящего через материал ультразвука меняется. Применяется с опорой на ГОСТ 23667-85 «Контроль неразрушающий. Дефектоскопы ультразвуковые. Методы измерения основных параметров», РД 34.10.133-97 «Инструкция по настройке чувствительности ультразвукового дефектоскопа» и др.;

· Капиллярная дефектоскопия служит для выявления невидимых глазом тонких трещин, используя эффект заполнения этих трещин легко смачивающими материал жидкостями. Применяется с опорой на

ГОСТ 18442-80 «Контроль неразрушающий. Капиллярные методы. Общие требования (с Изменениями N 1,2)»;

Для изучения строения металлов и сплавов в современном металловедении наиболее часто применяют три метода: макроскопический, микроскопический и рентгеноструктурный метод.

Макроскопический метод позволяет определить общую картину строения металла в больших объемах. Анализ проводят по излому и на макрошлифах. По виду излома можно установить характер разрушения, которое может быть хрупким, вязким и усталостным. При анализе макрошлифов исследуют химическую и структурную неоднородность металла, дендритное строение литого металла, качество сварных соединений. А также выявляют дефекты, нарушающие сплошность металла. Применяется с опорой на ГОСТ Р 57180-2016 «Соединения сварные. Методы определения механических свойств, макроструктуры и микроструктуры (с Поправкой)».

С помощью макроанализа нельзя определить количественное содержание примесей, но можно установить неоднородность распределения их в металле.

Микроскопический метод позволяет определить величину и форму зерен, выявить структуру, характерную для некоторых видов обработки, обнаружить микротрещины, мельчайшие включения. Анализ проводят на специально подготовленных образцах - микрошлифах. Для более полного выявления строения металла микрошлифы подвергают травлению.

Пользуясь методами микроанализа, можно также оценить свойства ряда многофазных сплавов и, в частности, чугуна, для которого имеются специальные шкалы, классифицирующие по форме и количеству графит и эвтектику. Микроанализ чугунов проводят, используя ГОСТ 3443-87 «Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры».

Рентгеноструктурный метод основан на том, что рентгеновские лучи, проходящие через металл и через дефекты, ослабляются в разной степени. Анализ проводятся с использованием явления дифракции рентгеновских лучей. Этот метод предусматривает изучение структуру металла на основании оценки пространственного распределения интенсивности рассеянного рентгеновского излучения. Глубина проникновения лучей в сталь составляет 80 мм. Эту физическую основу имеет просвечивание гамма-лучами, но они способны проникать на большую глубину.

Применение установок для рентгеноструктурного анализа осуществляется согласно ГОСТ 16865-79 «Аппаратура для рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализов. Термины и определения (с Изменениями N 1,2)».

Заключение

Во время прохождения учебной практики, я изучила строение, структуру и свойства чугунов типа «Ni-Resist».

Чугуны типа «Ni-Resist» представляют собой высоколегированные никелем сплавы на основе железа. Аустенитная структура дает данному типу чугуна преимущество - немагнитность структуры. Это и другие свойства позволяют использовать изделия из данного типа чугуна в экстремальных условиях, например, в кислой среде.

В период учебной практики я научилась определять состав чугунов типа «Ni-Resist». И изучила влияние модификаторов на их свойства.

Изменение содержания легирующих элементов в чугуне типа «Ni-Resist», а так же введение модификаторов может как улучшить, так и наоборот ухудшить качество отливок из данного типа чугуна. Так, например, сильными элементами по влиянию на ростоустойчивость являются никель, углерод и марганец. При уменьшении содержания никеля, но при этом повышение содержания марганца (до 2%) показатели ростоустойчивости практически не изменяются, что позволяет получить экономнолегированный чугун типа «Ni-Resist».

Литература

1. Астащенко В.И., Мухаметзянова Г.Ф., Западнова Н.Н. Микроструктура чугунов: Методические указания по дисциплине материаловедение. - Набережные Челны: НЧИ (ф) КФУ, 2016 - с. 5 - 7.

2. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. - М.: Машиностроение, 1990. - 384с.

3. Шумихин В.С., Кутузов В.П., Александров Н.Н и др. Высококачественные чугуны для отливок. - М.: Машиностроение, 1982. - 222с.

4. XLOM.RU. Сплав нирезист - особый вид чугуна. Режим доступа: https://xlom.ru/spravochnik/splav-nirezist-osobyj-vid-chuguna.

5. Борисова Л.Г. Методы испытания материалов и процессов: методические указания для самостоятельной работы. - СПб: Санкт-Петербургский горный университет, 2016. с. 5 - 7.

6. Масанский О.А., Казаков В.С., Токмин А.М. и др. Материаловедение и технологии конструкционных материалов. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2015. - с. 206 - 207.

7. Черепахин А.А. Основы материаловедения: учебник. М.: КУРС: ИНФРА-М, 2019. - 143с.

8. Фетисов Г.П., Гарифуллин Ф.А. Материаловедение и технология материалов: учебник. - М.: ИФРА-М, 2019. - с. 151 - 154.

9. Неизвестный автор. Материаловедение: курс лекций. - Архангельск, 2009. - 3с.

10. Шипельников А.А., Роготовский А.Н. Направление повышения качества отливок из аустенитных высоколегированных чугунов.

11. Килов А.С. Материаловедение [Электронный ресурс]. - Оренбург: Оренбургский государственный университет. - Режим доступа: https://cde.osu.ru/courses2/course119/3_1.html.

Размещено на Allbest.ru