Жұмысты орындау тәртібі. 3.4.1 МИМ-7 металлографиялық микроскоп көмегімен техникалық темір және тепе–тең күйдегі көміртекті болаттар
3.4.1 МИМ-7 металлографиялық микроскоп көмегімен техникалық темір және тепе–тең күйдегі көміртекті болаттар (эвтектоидқа дейінгі, эвтектоидты және эвтектоидтан кейінгі) микроқұрылымын қарап, оны зерттеу.
3.4.2 Әрбір құрылымдық құраушыларды толық сипаттаумен микроқұрылымын салып алу.
3.4.3 Темір-цементит күй диаграммасын берілген температуралық өзгерістерімен және сол өзгерістерді сипаттайтын нүктелермен көміртегі концентрациясын көрсетумен салып алу. Диаграмманың әртүрлі аймақтарындағы фазаларды және құрылымдық құраушыларды көрсету.
3.4.4 Диаграммада талдап алынған қорытпаларға сәйкес келетін құрамдарды көрсету, фазалар және құрылымдар түзілу кезінде жүретін өзгерістерге талдау беру.
3.4.5 Бөлмелі температурада берілген құрамды қорытпалардың фазалық құрамын және салмақтық санын анықтау. Эвтектоидқа дейінгі болаттардың микроқұрылымы бойынша көміртегі мөлшерін анықтау.
3.4.5 Жұмыс есебін құрастыру.
Есепті құрастыру
Жүргізілген жұмыстар туралы есебінің мазмұны:
1.Тапсырма.
2. Құмыстың мақсаты.
3. Теориялық негіздеменің жазбасы.
4. Сәйкесті түсініктемесімен микроқұрылымдар суреті.
5. Қарастырылатын қорытпалардың құрамын көрсетумен және суыту кезінде онда жүретін өзгерістер сипаттамасымен Fe-Fe3C күй диаграммасы.
Бақылау сұрақтары
1. Қандай қорытпалар көміртекті болаттар деп аталады?
2. Феррит, аустенит және цементит деген не?
3. Ледебурит және перлит деген не? Олар қалай түзіледі?
4. Эвтектоидқа дейінгі, эвтектоидты және эвтектоидтан кейінгі болаттар деп қандай болаттарды атайды?
5. Бірінші, екінші және үшінші реттік цементит қалай пайда болады?
6. Түйіршікті пішінді перлитті қалай алуға болады?
7. Эвтектоидқа дейінгі болаттың микроқұрылымы бойынша көміртегі мөлшерін қалай анықтауға болады?
8. Көміртекті болаттардағы негізгі кірмелер қандай?
Зертханалық жұмыс
ШОЙЫНДАРДЫ МИКРОСКОПИЯЛЫҚ ТАЛДАУ
Жұмыстың мақсаты:студенттерді шойндарды микроталдауды және олардың құрамы, алу шарты және құрылымы арасындағы байланысты анықтауды өзінше жүргізуді тәжірибелік түрде үйрету.
Тапсырма
4.1.1 Зертханалық шойындар кешенінің үлгілерінің микроқұрылымын МИМ-7 металлографиялық микроскоптың көмегімен қарастырумен зерттеу.
4.1.2 Үлгілер микроқұрылымының суретін салып алу және фазалар мен құрылымдық құраушылардың орналасуының ерекшелігі көрсету.
4.1.3 Сұр, соғылымды және аса берік шойындар микроқұрылымы бойынша перлит құрамының санын ескерумен байланысқан көміртегі мөлшерін (шамалы) анықтау.
4.1.4 Ақ, сұр, соғылымды және аса берік шойындарды алу тәсілдерін түсіндіру. Таңдалып алынған қорытпаларға сәйкесті құрамды диаграмма көрсетіп, фазалар мен құрылымдық құраушыларда болатын өзгерістерге талдау жасау.
4.1.5 Жұмыс бойынша есеп беру.
Аспаптар мен материалдар
Жұмысты орындау үшін мыналар қажетті: металлографиялық микроскоп, әртүрлі құрамды тепе–тең күйдегі шойын үлгілерінің жинағы.
Теориялық негізі
Шойын – эвтектикалық өзгеріспен сипатталатын темірдің көміртегімен және басқада элементтермен көпкомпонентті қорытпа. Шойын болаттан химиялық құрамы бойынша ерекшелінеді, демек шойын құрамында көміртегі мөлшері болатқа қарағанда көбірек (> 2,14%С), сонымен қатар технологиялық қасиетімен де ерекшелінеді, оның құйма сапасы жоғары, пластикалық деформацияға ұшырау қабіліттілігі аз (кәдімгі жағдайда соғуды қабілеттілігі аз). Шойын болаттан арзанырақ.
Химиялық құрамы, атап айтқанда, көміртегі мөлшері шойынның қасиетіне сипаттама бермейді: оның құрылымы және оның қасиеті тек химиялық құрамға ғана емес, оның балқытып алу процесіне, балқыманы суыту шартына және термиялық өңдеу режиміне байланысты. Шойынның қасиеті оның құрылымымен анықталынады.
Көміртегі мөлшеріне байланысты шойыннның келесі түрлері бар:
- ақ шойын, онда барлық көміртегі цементит түрінде болады. Мұндай шойынның құрылымы – перлит, ледебурит и цементит;
- жартылай шойын, көміртегінің көп мөлшері (0,8% көбірек) цементит түрінде, оның құрылымы – перлит, ледебурит и графит;
- перлитті сұр шойын, онда 0,7-0,8% көміртегі бар және олперлит құрамына кіретін цементит түрінде кездеседі. Оның құрылымы перлит пен графиттен тұрды;
- ферритті – перлитті сұр шойын, онда көміртегі эвтектоидты цементиттің ыдырауына байланысты 0,1% – дан 0,7 % - ға дейін байланысқан күйінде болады. Бұл шойынның құрылымы – феррит, перлит и графит;
- ферритті сұр шойын, мұнда барлық шойын графит түрінде бөлініп түзіледі. Құрылымы – феррит и графит.
Ақ шойын. Ақ шойын метатұрақты Fe – Fe3C күй диаграммасына сәйкес
келіп түзіледі. Ақ шойынды көбіне ұсақтандырғыш жабдықтардың бөлшектерін (шарлы диірменнің брондары, ұсақтандырғыш шарлар), ұсақтандырушы турбиналар күрекшелерін және басқада да бөлшектер дайындауда кеңінен қолданады. Көміртегі мөлшеріне байланысты ақ шойын эвтектикаға дейінгі (2,14 – 4,3%С), эвтектикалық (4,3%С) және эвтектикадан кейінгі (4,3 – 6,67%С) болып бөлінеді.
Эвтектикалық ақ шойынның құрылымы тек мортты цементитті эвтектикадан – ледебуриттен тұрады, ол 1147°С температурада көміртегінің 4,3% – да сұйық балқымадан эвтектикалық кристалдану процесінде пайда болады. Эвтектикалық кристалдану температурасында құрамында 2,14%С бар аустениттен және бірінші реттік цементит кристалынан (Fe – Fe3C күй диаграммасындағы Е нүктесі) тұрады. Әрі қарай суыту салдарынан, аустенитте көміртегінің еру шегінің кемуінен, аустениттен екінші реттік цементит бөлінеді. Екінші реттік цементит эвтектикалық цементитпен түйісіп жанасады, сондықтан эвтектиканың құрылымында оны айыру мүмкін емес. Эвтектоидты өзгеріс температурасында (727°С) аустениттен ферритті-цементитті қоспа –перлит бөлінеді. Сонымен, толық суытылғаннан кейін эвтектикалық ақ шойынның құрылымы перлит пен цементиттен тұратын ледебурит болады (12, ә – сурет).
Этектоидқа дейінгі ақ шойын құрылымы (12, а – сурет) перлит пен екінші реттік цементитпен бірге мортты эвтектикадан ледебуриттен де тұрады.
Эвтектикадан кейінгі ақ шойын құрылымы (12, б – сурет) балқымадан кристалдану кезінде инеге ұқсас, созылыңқы түзу бұрышты қиманы беретін, призма түрінде эвтектикадан (ледебуриттен) және бірінші реттік цементиттен тұрады.
Сонымен, ақ шойынның құрылымы ледебуриттен, перлиттен және цементиттен тұрады. Цементиті бар ақ шойынның қаттылығы жоғары (НВ 400 – 500), мортты, іс жүзінде кесумен өңделмейді және қолданылуы шектеулі.
Қима бойындағы ақ сынығы бар құймалар механикалық өңдеуді қажет етпейтін және қолданылуы кезінде соққы ұшырамайтын бөлшектерде қолданады. Ауыр жүктемеге және қарқынды тозу жағдайында жұмыс жасайтын бөлшектер, мысалы, прокаттаушы валки, кранды, кенді және конвейерлі дөңгелектер беткі қабаты ағартылған шойыннан дайындалады.
Ағартылған шойын деп беткі қабаты ақ шойынның құрылымынан тұратын, ал ортаңғы бөлігі – сұр шойын болатын шойынды айтады. Осы қабаттар арасында жартылай шойын қабаты болуы мүмкін.
Құйманың беткі қабатының қаттылығының жоғары болуы, оның тозуға төзімділігінің жақсы екендігін көрсетеді, ал сұр шойынның өзегі құйманың тұтқырлығы мен беріктігін қамтамасыз етеді. Беткі қабаты ағартылған құйманы металдың беткі қабатын тоңазытқыштың көмегімен кенет жылдам суыту нәтижесінен алады.
а) ә) б)
а – эвтектикаға дейінгі ақ шойын (<4,3%С); ә – эвтектикалық ақ шойын (4,3%С); б – эвтектикадан кейінгі ақ шойын (>4,3%С).
12 – сурет. Ақ шойынның микроқұрылымы
Сұр шойын. Сұр шойынның құрылымдық белгісі онда графитті эвтектиканың бар болуы болып отыр. Сұр шойынның қасиеті пластиналы пішінді графитімен және металды негізінің түрімен анықталады. Пластиналы графит металды негізінің біркелкілігін бұзады, сондықтан сұр шойынның созу кезіндегі уақытша бұзылуға кедергісінің мәні жоғары болмайды және пластикалылығы төмен. Бірақ пластиналы перлиттің болуының салдарынанисұр шойынның анфрикциялық қасиеті жақсарады, тозуға төзімділігі жоғары, ал концентрациялық кернеуге сезімталдылыңы аз болады. Сұр шойынның депфирлену қабілеттілігі жоғары және ол вибрацияны жақсы басады. Сұр шойын – технологиялық материал болып табылады. Оның балқымасының сұйықтай аққыштығы жақсы, сондықтан онан 2–ден 500–ге мм дейін қалыңдығымен күрделі конфигурациялы құймалар даярлауға болады. Шойынның физикалық-механикалық және қызметтік қасиеттері оның микроқұрылымының ерекшеліктенуімен анықталады. Сұр шойынды сипаттау үшін міндетті түрде графиттің өлшемін, пішінін,таралуын, сонымен қатар, металды негіздің құрылымын анықтау қажет. Сұр шойында графитті фаза қатайған металды кенет суытудың салдарынан пластина түрінде өседі. Графиттің пластиналары металды матрицаны қатты бытыратады, шойынды бөлшектерге жүктеме ендіргенде және бұзылуда олар кескіннің, кернеу концентрациясының рөлін және макро- және микросынықтардың пайда болу орны немесе оның жүру жолының рөлін атқарады.
Металды негізі ферриттен және перлиттен тұрады, олардың сандық қатынасы әртүрлі болуы болуы мүмкін. Әртүрлі металды негізі бар сұр шойынның ұқсас құрылымдары 13- суретте келтірілген.
а) ә) б)
а – перлит негізіндегі сұр шойын; ә – ферритті-перлит негізіндегі сұр шойын;
б – феррит негізіндегі сұр шойын.
13 – сурет. Сұр шойынның микроқұрылымы
Ферритті және ферритті-перлитті шойындарды (СЧ10, СЧ15) жауаптылығы аз бөлшектер үшін, аз жүктеме ендірілген ауылшаруашылық машиналар, станоктар, автомобильдер және тракторлар үшін құйма шойынды және т.б. қолданады.
Перлитті шойындарды (СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35) жауапты құймалар үшін қолданады (қуатты станоктар мен механиздердің станиндерінде, турбиналы құймалар үшін, металлургиялық жабдықтардың бөлшектері және т.б.).
Аса берік шойындықұйма күйінде сұйық шойынға аз мөлшерде магний, церий, кальций және басқада модификаторлы элементтерді ендірумен алады. Бұл шойынды алуда көбіне 0,03-0,07% мөлшерде магнийді ендіреді. Магнийдің әсерінен кристалдану процесінде графиттің пішіні шар тәрізді болады. Басқа элементтердің мөлшері бойынша аса берік шойын сұр шойыннан айрықша ерекшелінбейді. Аса берік шойындар үшін маңызды сипаттамасы, өзінің айрықша пластикалылығы және тұтқырлығы. Ол графиттің шар тәрізді пішініне байланысты.
Аса берік шойынның металды негізі перлитті, ферритті және ферритті-перлитті болуы мүмкін (14–сурет). Шар тәрізді графиті металды беріктендіретіндіктен, олардың механикалық қасиеттері жоғары болады. Шар тәрізді графиттің айналасында феррит шар тәрізді құрылым (құрылымы «үлкен көз» типті) түзеді. Графит глобулы үлкенірек болған сайын, шар тәрізді ферриттің қабықшасы диаметрі бойынша пропорционалды үлкен болады.
Ферритті аса берік шойындар (ВЧ35, ВЧ42), барлық шойындарға қарағанда оның пластикалылыңы мен тұтқырлығы ең жоғарысы, ол бөлшектер мен конструкциялардың суықтай және соққыға төзімділігін, жақсы пісірілуін және кесумен жақсы өңделуін қамтамасыз етеді.
Перлитті шойындардың (ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100) статикалық және динамикалық түсірілген күштерге қарсылық көрсету қабілеттілігі жоғары болады
.
а) ә) б)
а – аса берік шойындағы графиттің шар тәрізді пішіні; ә – ферритті–перлитті негізді аса берік шойын; б – феррит негізді аса берік шойын.
14 – сурет. Аса берік шойынның микроқұрылымы
Соғылымды шойындыақ шойындыұзақ уақыт (70-80 сағат) қыздырып өңдеумен алады.Соғылымды шойынның қасиетін анықтайтын микроқұрылымының негізгі ерекшелігі – оның графитінің тығызды (үлпек тәрізді) пішінінің болуы, демек «қыздырылып өңделген көміртегінің» болуы (15–сурет). Соғылымды шойынның графитінің үлпекті пішінінің салдарынан оның беріктігі мен пластикалылығы жоғары болады. Егер созудағы уақытша кедергісінің, салыстырмалы ұзаруы мен соққы тұтқырлығының деңгейімен қарастыратын болсақ, ол шар тәрізді графиті бар шойынға жақын болады, ал суықтай морттығы бойынша оның мәні жоғары болады.
Соғылымды шойынды алутын ақ шойын құрамында шамамен 2,5–3% С, 0,3–0,8% Mn және 0,7–1,0% Si болады. Ақ шойынды қыздырып өңдеумен цементитті ыдыратады да, шойын құрылымында графитті алады, демек Fe3C → 3Fe + С. Ақ шойынды графиттеуге қыздырып өңдеуді екі сатыда жүргізеді:
- I саты: Т = 950÷1000°С температурада жүреді; осы температурада ледебурит құрамына кіретін цементитті ұстау процесінде ол аустенит пен тығызды (үлпек тәрізді) графитке ыдырайды ;
- II саты: Т = 700÷720°С температурада жүреді; перлитті цементиттің графиттелуі жүреды.
а) ә)
а – феррит негізді соғылымды; ә – перлит негізді соғылымды шойын.
15 –сурет. Соғылымды шойынның микроқұрылымы
Соғылымды шойын химиялық құрамына және перлитті цементиттің дәрежесіне байланысты ферритті, ферритті-перлитті немесе перлитті құрылымды металды негізден тұруы мүмкін.
Ферритті соғылымды шойын графит санының көп болуы салдарынан, мақпалды сынығы болады, оның пластикалылығы, соққы күштеріне кедергісі жоғары және механикалық қасиеттері біркелкі болады. Ферритті шойындардың КЧ35-10, КЧ37-12 КЧ30-6, КЧ33-8 маркаларын жоғары динамикалық және статикалық күштерде жұмыс жасайтын бөлшектерді дайындауда қолданады.
Перлитті соғылымды шойынның металды негізінде перлит саны көп болғандықтан оның сынығының жылтыр ақшыл түсі болады, оның пластикалылығы жоғары және пластикалылығы орташа, жақсы антифрикциялық қасиеттері және жоғары тозуға төзімділігі болады. Перлитті шойындардың КЧ50-4, КЧ60-3, КЧ63-2 маркаларынан ауыл шаруашылық машиналар, автомобильдер, тракторлар үшін ұсақ жұқа қабырғалы құймалар, арматуралар, массалық өндірістің бөлшектерін дайындайды.