Картер двигателя из сплава АЛ4

АЛ4 – это литой сплав на основе алюминия. Содержит 8…10% Si, называется силумином. Сплав АЛ4 является доэвтектическим, он дополнительно легирован магнием (0,25...0,5%) и упрочняется термической обработкой. Упрочняющей фазой служит силицид магния Mq₂Si. Средненагруженные детали из сплава АЛ4 (картер двигателя, например, подвергают только искусственному старению. Простым способом получения заданных свойств является отливка детали в сырую песчаную форму с последующим искусственным старением или термическая обработка по режиму, приведенному на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 – График технологии закалки и искусственного старения

картера двигателя из сплава АЛ4

При литье в сырую песчаную форму или в кокиль происходит частичная закалка, поэтому в ряде случаев детали из сплава АЛ4 могут подвергать искусственному старению в течение 5…20 часов без предварительной закалки. Механические свойства сплава АЛ4 после такой термической обработки: σ_в ≥ 180 МПа, δ ≥ 2 %, НВ 70.

Задание №4

Для каждого из десяти марок сплавов, заданных в индивидуальном задании (16ХНС, АЧС1, БрАЖН9-4-2, Ст1, 35ХГ2, 40ХН, 45Х, У9А, 40, 30ХНЛ), указать:

- название сплава;

- химический состав сплава (если это возможно, исходя из марочного обозначения, не прибегая к учебникам или справочной литературе);

- для стали указать структурный класс в отожженном (равновесном) состоянии, качество, способ раскисления, общее назначение, отношение к термообработке;

- для чугуна указать механические свойства исходя из марочного обозначения, указать также форму графита;

-для сплава на основе меди указать способ изготовления заготовки.

16ХНС – качественная конструкционная сталь, содержащая 0,16% С, 1% Сr, 1% Ni и 1% Si. Обладает повышенной вязкостью, не закаливающаяся, цементуемая. Структурный класс – доэвтектоидная, структура состоит из феррита и перлита.

АЧС-1 – антифрикционный чугун серый, применяется для изготовления подшипников скольжения и др. деталей, работающих при трении о металл. Химический состав: 3,2…3,6% С, 1,3…2,0% Si, 0,6…1,2% Mn, ≈ 0,12% S и Р. Графит пластинчатой формы.

БрАЖН9-4-2 – алюминиевая бронза, сплав на основе меди, содержит 9% Al, 4% Fe, 2% Ni, упрочняемая термической обработкой, обрабатывается давлением, применяется для изготовления прутков, труб, поковок.

Ст1 – сталь обыкновенного качества, поставляется с гарантированным составом и механическими свойствами, конструкционная, спокойная (по умолчанию отношения к раскислению), хорошо свариваемая, по структуре доэвтектоидная, основная составляющая структуры – феррит и небольшое количество перлита.

35ХГ2 – качественная конструкционная сталь, содержащая 0,35% С, 1% Сr, 2% Mn. Структурный класс – доэвтектоидная, в равновесном состоянии структура состоит из феррита и перлита. Термообрабатываемая (нормализация, улучшение). Применяется для изготовления деталей, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости.

40ХН – качественная конструкционная сталь, содержащая 0,40% С, 1% Сr, 1% Ni. Структурный класс – доэвтектоидная, в равновесном состоянии структура состоит из перлита и феррита. Термоулучшаемая, применяется для изготовления ответственных нагруженных деталей, к которым предъявляются требования повышенной прочности и вязкости.

45Х – качественная конструкционная сталь, содержащая 0,45% С, 1% Сr. Структурный класс – доэвтектоидная, в равновесном состоянии структура состоит из перлита и феррита. Термоулучшаемая, применяется для изготовления валов, шестерен и других деталей машин, к которым предъявляются требования повышенной твердости, износостойкости и прочности.

У9А – углеродистая высококачественная инструментальная сталь, содержащая 0,9% С и пониженное количество S и Р (0,018 и 0,025% соответственно). Структурный класс – заэвтектоидная, в равновесном состоянии структура состоит из перлита и цементита. Термообрабатываемая, применяется для изготовления инструмента для обработки дерева, слесарно-монтажного и калибров простой формы.

40 – качественная конструкционная сталь, содержащая 0,40% С. Структурный класс – доэвтектоидная, в равновесном состоянии структура состоит из перлита и феррита. Термоулучшаемая сталь, применяется для изготовления деталей машин типа валов, зубчатых колес, осей и др., а также после закалки ТВЧ – для деталей повышенной износостойкости.

30ХНЛ – качественная конструкционная сталь для отливок, содержащая 0,30% С, 1% Сr, 1% Ni. Структурный класс – доэвтектоидная, в равновесном состоянии структура состоит из феррита и перлита. Термоулучшаемая (нормализация, закалка, поверхностная закалка). Применяется для изготовления шестерен, крестовин, зубчатых венцов и колес экскаваторов, валков слябингов и др. крупных ответственных деталей.

Пример 2

Вариант 02

Задание № 1

Вычертите диаграмму состояния «железо-цементит» строго в масштабе, укажите структурные составляющие и фазы во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения с применением правила фаз для сплава, содержащего 3,8% процентов углерода, объясните физическую природу хода этой кривой.

Для заданного сплава определите химический состав фаз и их массу в процентах ко всему сплаву при температуре t = 1100⁰С. Какова микроструктура этого сплава при комнатной температуре и как этот сплав называется? Зарисуйте схематически микроструктуру.

На рисунке 2.1 приведена диаграмма состояния «железо – цементит» с указанием структурных составляющих и фаз во всех областях. Она представляет собой двухкомпонентную систему, графически отображающую состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от температуры (ось ординат) и концентрации (ось абсцисс). Каждая точка оси концентрации показывает химический состав конкретного сплава, а каждая точка вертикали, восстановленной к этой точке, характеризует состояние сплава в процессе изменения его температуры. С учетом постоянства давления в реальных металлургических процессах, данная система подчиняется правилу фаз:

С = К – Ф + 1,

где С – число степеней свободы, т.е. количество внутренних и внешних факторов, которые можно менять без изменения числа фаз;

К – число компонентов системы;

Ф – число фаз в рассматриваемых условиях равновесия.

Проведем на диаграмме линию заданного сплава с 3,8% С (остальное – Fe) и проанализируем процессы, происходящие в нем при охлаждении. Для удобства оси температур диаграммы и кривой охлаждения заданного сплава совмещены. Точки пересечения вертикали с линиями диаграммы являются критическими для данного сплава.

В момент начала охлаждения сплав находится в состоянии жидкого раствора выше линии ликвидуса АВСД (точка 1). Участок кривой охлаждения 1-2 соответствует числу степеней свободы: С = 2-1+1=2 и свидетельствует о возможности изменения двух факторов без нарушения фазового состояния. При охлаждении сплава ниже температуры 1220⁰ С (температура точки 2), находящейся по линии ликвидуса, из жидкого раствора начинает выделять аустенит, т.е. начинается процесс кристаллизации С=2-2+1=1. Выделение скрытой теплоты кристаллизации замедляет процесс (участок 2-3 на кривой охлаждения сплава). При этом содержание углерода в жидкости будет изменяться по линии ВС, а в аустените – по линии IЕ:

Ж_т2 → А_Е + Ж_с

3,8% С 2,14% С 4,3% С.

Рисунок 2.1 – Диаграмма состояния «железо-цементит» и кривая охлаждения заданного сплава (3,8% С)

Процесс кристаллизации завершится при температуре 1147⁰С (температура точки 3), и в равновесии на линии эвтектических превращений ЕСF будут одновременно находиться 3 фазы: жидкий раствор, аустенит (твердый γ-раствор) и цементит. Эвтектическое превращение произойдет при постоянной температуре по реакции:

Ж_с → А_Е + Ц_F

4,3% С 2,14% С 6,67% С

Образующаяся эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. С=2-3+1=0. Система нонвариантна, т.е. без нарушения числа фаз не может изменяться ни один фактор, происходит при постоянной температуре. На кривой охлаждения горизонтальный участок 3-3^/.

Далее сплав охлаждается в двухфазной области (аустенит и цементит):

С=2-2+1=1. Охлаждение замедленное в связи с выделением из аустенита цементита вторичного (участок 3^/-4). Аустенит будет обедняться углеродом от 2,14% до 0,8% С (линия ЕS):

А_Е + Ц_F → А_С + Ц_К

2,14% С 6,67% С 0,8% С 6,67% С.

Состав цементита, как химического соединения, при этом не изменяется. Когда сплав достигнет температуры 727⁰ С* выделение цементита вторичного будет завершено. Дальнейшее охлаждение вызовет эвтектоидное превращение аустенита в перлит. Процесс происходит при постоянной температуре с участием трех фаз: С=2-3+1=0.

А_S → Ф_Р + Ц_К,

0,8% С 0,025% С 6,67% С.

Перлит является эвтектоидной механической смесью двух фаз: феррита и цементита. Превращение на кривой охлаждения иллюстрирует участок 4-4^/. После завершения эвтектоидного превращения сплав продолжает охлаждаться в двухфазной области феррита и цементита. Охлаждение происходит также с небольшим замедлением ввиду выделения из феррита избыточной фазы – цементита третичного: С=2-2+1=1. При этом химический состав феррита будет изменяться по кривой РQ.

Ф_Р + Ц_К → Ф_Q + Ц_L

0,025% С 6,67% С 0,0025% С 6,67% С.

Определяем химический состав фаз и их массу при заданной температуре 1100⁰С с помощью горизонтальной линии (коноды). Точки пересечения коноды с линиями диаграммы являются исходными для нужных определений. Проекция точки б на ось концентраций показывает, что в аустените при температуре 1100⁰С в сплаве содержится ≈ 2% С (остальное – железо), а в цементите (проекция точки в) содержится 6,67% С (остальное – железо). Масса каждой фазы при температуре 1100⁰ С, из расчета 100% сплава (q) определяется по «правилу фаз» и составит:

________________________________________________________________

* Для упрощения мы пренебрегаем температурным гистерезисом при охлаждении. В действительности температура эвтектических и эвтектоидных превращений будет несколько ниже.

.

Сплав, содержащий 3,8% С, называется доэвтектическим белым чугуном, структура его при комнатной температуре состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита. Ледебурит состоит из цементной основы и перлита. Цементит вторичный сливается с цементитной основой ледебурита. Микроструктура заданного сплава схематически выглядит так (рисунок 2.2):

Рисунок 2.2 – Схема структуры заданного сплава

Задание №2

Вычертите строго в масштабе диаграмму изотермического распада аустенита стали 45Х3. Нанесите на диаграмму кривые, характеризующие скорость непрерывного охлаждения стали от температуры выше точки Ас₃ (для доэвтектоидных сталей) на 40°С соответственно V₁ = 0,03 0/с и V₂ = 4,5 ⁰/с. Опишите происходящие превращения и микроструктуру, приведите схему конечной структуры и твердость стали. Определите числовые значения критической скорости закалки.

Решение. Так как заданная сталь 45Х3 доэвтектоидная, то температура, от которой производится охлаждение:

t_нач = 830 + 40⁰ С = 870⁰С.

Каждая кривая непрерывного охлаждения может быть построена, если известны координаты нескольких точек (t_і и τ_і). Ориентируясь на диаграмму изотермического распада стали 45Х3 (рисунок 2.3), определяем эти точки. Для каждой заданной скорости охлаждения выбираем произвольно по несколько периодов от начала охлаждения (τ_і). При малой скорости это тысячи секунд, а при более высокой скорости охлаждения – десятки секунд. Температуры, соответствующие выбранным точкам по времени (t_і) определяем по зависимости:

t_і = t_н – (V∙τ_і),

где t_і - температура в выбранный момент охлаждения, ⁰С;

t_н – температура начала охлаждения, ⁰С;

V – заданная скорость, град/сек;

τ_і – период охлаждения, с.

Рисунок 2.3 – Диаграмма изотермического распада аустенита стали 45Х3 и кривые охлаждения V1 и V2

Для скорости V₁ = 0,03 град/с: τ_і принимаем равными 1000, 2000, 3000, 4000 и 5000 с. Соответствующие им температуры составят:

t_і = 870 – (0,03 τ_і): 840, 810, 780, 750 и 720⁰С.

Наносим соответствующие точки на диаграмму (рисунок 2.3) и, соединяя их, получаем кривую охлаждения V₁.

Для скорости охлаждения V₂ = 4,5 град/с τ_і принимаем равными: 100, 200, 300 и 400 секунд. Соответствующие им значения температуры составят:

t_і = 870 – (4,5 τ_і): 825, 780, 735 и 690⁰С.

Наносим соответствующие точки на диаграмму изотермического распада аустенита и, соединяя их, получаем кривую охлаждения V₂.

Проанализируем процессы, происходящие в заданной легированной стали 45Х3 при охлаждении по построенным кривым непрерывного охлаждения.

При охлаждении со скоростью V₁ = 0,03 град/с аустенит не претерпевает превращений до температуры 800⁰С. Охлаждение ниже этой температуры приводит к выделению избыточной фазы – феррита. При температуре 750⁰С выделение феррита завершается, и при дальнейшем охлаждении происходит диффузионный распад оставшегося переохлажденного аустенита с образованием механической смеси двух фаз (феррита и цементита) пластинчатого строения, т.е. перлита. Распад аустенита завершается при температуре ≈ 740⁰С. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры не сопровождается изменениями фазового и структурного состояния стали. При комнатной температуре сталь 45Х3 будет иметь структуру, состоящую из зерен перлита и феррита, твердость составит 20…21 НRС.

При охлаждении со скоростью V₂ =4,5 град/с аустенит не претерпевает превращений до температуры 760⁰С, ниже которой начинается выделение избыточной фазы – феррита, завершающееся при температуре 740⁰С, дальнейшее охлаждение приведет к распаду переохлажденного оставшегося аустенита, как и в первом случае, на феррито-цементитную смесь (перлит). Процесс завершится при температуре 710⁰С. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры произойдет без изменений фазового и структурного состояния стали. При комнатной температуре сталь 45Х3 после охлаждения со скоростью V₂ также будет состоять из зерен перлита и феррита. Благодаря более высокой, по сравнению с V₁, скорости охлаждения, зерно получится более мелким, а твердость – более высокой: 22…24 НRС. Можно сказать, что при скорости V₁ произойдет отжиг, а при скорости V₂ произойдет нормализация стали 45Х3. Схематически структура будет выглядеть так (рисунок 2.4):

Рисунок 2.4 – Схема структуры стали после охлаждения

с заданными скоростями

Критическая скорость закалки определяется с помощью приведенной диаграммы изотермического распада аустенита (рисунок 2.3):

,

где t_н – температура аустенитизации (начала охлаждения), ⁰ С;

t^* и τ^* температура и время минимальной устойчивости переохлажденного аустенита.

град/с.

Задание № 3

Разработайте режимы предварительной и окончательной термической обработки деталей, заданных в индивидуальном задании для обеспечения оговоренных свойств.

При выполнении задания:

а) для стальной детали:

- указать состав стали исходя из марочного обозначения (без использования справочной литературы), ее качество, структурный класс в равновесном состоянии, общее назначение;

- описать превращения, протекающие при нагреве, выдержке и охлаждении на стадии окончательной термообработки;

- указать микроструктуру стали на поверхности и в сердцевине детали;

б) для детали из чугуна:

- исходя из марочного обозначения указать вид чугуна, его механические свойства, форму графита;

- описать превращения, протекающие на стадии охлаждения;

в) для деталей из цветных сплавов:

- указать состав сплава;

- охарактеризовать превращения, протекающие при нагреве, выдержке и охлаждении.

Все виды технологий термической обработки представить в виде графика в координатах (температура, °С - время, ч).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: