Дальнейший нагрев (или выдержка) по окончании превращений вызывает рост аустенитных зерен.
Переход через критическую точку А1 сопровождается резким уменьшением зерна (рис. 6.5). При дальнейшем нагреве зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет до 950 – 1000 оС, после чего устраняются факторы, препятствующие росту, и зерно начинает быстро расти. У крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна, который и начинается вскоре после перехода через критическую точку.
Различают два типа сталей: наследственно мелкозернистую и наследственно крупнозернистую; первая характеризуется малой склонностью к росту зерна, вторая – повышенной склонностью. Под наследственной зернистостью следует подразумевать склонность аустенитного зерна к росту.
Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной термической обработки, – это так называемое действительное зерно.
В зависимости от вида термообработки различают следующие виды зерен:
1) начальное зерно – зерно аустенита в момент окончания перлитно-аустенитного превращения;
2) наследственное (природное) зерно – аустенитное, склонное к росту;
3) действительное зерно – зерно аустенита в данных конкретных условиях.
На свойства стали влияет только действительный размер, наследственный размер зерна влияния не оказывает. Если у сталей одной марки (одна наследственно крупнозернистая, другая наследственно мелкозернистая) при различных температурах термических обработок будет получен одинаковый действительный размер зерна, то свойства их будут одинаковыми. Если размер зерна будет различный, то существенно будут различаться многие свойства стали.
Размеры перлитных зерен зависят от размеров зерен аустенита из которых они образовались. Чем крупнее зерна аустенита, тем, как правило, большего размера перлитные зерна, образующиеся из них (см. рис. 6.5). Аустенитные зерна растут только при нагреве (при последующем охлаждении они не измельчаются), поэтому максимальная температура нагрева стали в аустенитном состоянии и ее наследственная зернистость определяют окончательный размер зерна. Это необходимо учитывать при назначении режимов термической обработки.
Температура нагрева под закалку не должна превышать:
· для доэвтектоидной стали А3 + (30…50) оС,
· для заэвтектоидной – А1 + (30…50) оС.
Нагрев значительно выше этих температур приводит к образованию крупного действительного зерна. Такой нагрев называют перегревом.
Нагрев до еще более высоких температур сопровождается образованием окислов железа по границам зерен с частичным оплавлением, он называется пережогом.
Перегрев и пережог являются браком при термической обработке (ТО). Причем перегрев можно исправить охлаждением и повторным нагревом до необходимой температуры, а пережог является неисправимым брОпределяющими факторами, которые влияют на результаты ТО, являются скорость и температура нагрева, равно как время выдержки в нагретом состоянии и скорость охлаждения. В зависимости от температурных показателей и скорости охлаждения изделий различают следующие этапы термообработки: отжиг; дальнейшая нормализация; закалка и отпуск стали. Отжиг Для снижения жесткости и повышения вязкости стали, достижения химической и структурной однородности, снятия внутренних напряжений собственно и проводят отжиг. Процесс состоит из нагрева стальных изделий выше критических точек (за исключением рекристализационного отжига) и соответственно выдержки при температуре нагрева с последующим медленным (преимущественно вместе с печью) охлаждением. В зависимости от назначения, различают следующие режимы термообработки стали: диффузный отжиг; полный и неполный; изотермический; на зернистый перлит; рекристализационный. Диффузный отжиг Также его называют гомогенизацией. Применяют для больших стальных отливок с целью уменьшения химической неоднородности (ликвации). На первом этапе нагревают обрабатываемый материал до температур 1050-1150°С. После нагрева выдерживают около 10-15 ч и в последующем медленно охлаждают. Характеристики сталей при этом улучшаются. Полный отжиг Технологию применяют для образования мелкозернистой структуры стальных изделий, изготовленных горячей штамповкой, ковкой, литьем. Стали после процедуры полного отжига становятся пластичными, мягкими, без внутренних напряжений. Внутренняя (кристаллическая) структура становится однородной, мелкозернистой, состоит из феррита и перлита. Полным отжигом сталь подготавливают к обработке резанием и к последующему закаливанию. Так обрабатывают преимущественно доэвтектоидные стали. Термообработка стали проводится по следующему техпроцессу: изделия (заготовки) нагревают до температур, превышающих на 30-50°С так называемую критическую верхнюю точку (в материаловедении обозначаемую как Ac3), затем медленно охлаждают. Охлаждение до температуры 500-550°С происходит со следующей скоростью: для углеродистых сталей - 150-200°С в час; для легированных – 50-75°С в час. Неполный отжиг Эта технология термообработки стали применяется для доэвтектоидных и заэвтектоидных металлов с целью снижения жесткости, снятия внутренних напряжений и получения однородной структуры. Процедуре подвергают поковки и штамповки, обработанные при температурах, не вызывающих значительного роста зерен. Техпроцесс: сталь нагревают при температуре выше нижней критической точки (на графиках обозначается как Ac1) в температурном интервале 740-750°С, выдерживают определенное время при этой температуре, в дальнейшем медленно ее охлаждают. -
Балластировка подводных трубопроводов необходима для их устойчивого положения на дне моря, водоема, реки, озера. Для обеспечения устойчивого положения подводный трубопровод должен иметь отрицательную плавучесть, т.е. полный вес трубопровода в воздухе должен быть больше вытесненной им воды.
На устойчивость подводного трубопровода большое влияние оказывает объемный вес воды в придонной зоне (при размыве грунта от действия волн), а также гидродинамическое давление от волнения и течений. Изменение объемного веса воды с 1,0 до 1,20— 1,25 т/м3 может привести к уменьшению величины отрицательной плавучести и всплытию трубопровода.
Таким образом, при подсчете веса трубы в воде, кроме значения отрицательной плавучести, следует учитывать и другие факторы, имеющие дополнительное влияние на устойчивость подводного трубопровода. Необходимое значение веса балласта определяется по условному «удельному весу» трубопровода (отношение веса трубопровода с балластом в воздухе к весу воды, вытесняемой трубопроводом и балластом) . Так, по американским техническим условиям морские трубопроводы, укладываемые в прибрежных зонах, должны иметь условный «удельный вес» не менее 1,30. В отдельных случаях, в зависимости от естественных условий района прокладки, когда при волнениях объемный вес грунтовой смеси в придонной зоне доходит до 1,8 т/м3, величины условного «удельного веса» морского трубопровода рекомендуется увеличивать до 2.
В практике для балластировки подводных трубопроводов применяют сплошные монолитные бетонные и асфальто-бетонные мастики, наносимые на изоляцию, а также одиночные чугунные, железобетонные или бетонные грузы.
Применение балластных грузов из чугуна связано с большим расходом металла. В отдельных случаях стоимость балластировки чугунными грузами может в 1,5—2 раза превышать стоимость труб. Поэтому в целях экономии металла рекомендуется применять железобетонные грузы. Серьезным недостатком использования бетонных и железобетонных грузов для балластировки подводных и особенно морских трубопроводов являются их сравнительно небольшой объемный вес и, следовательно, необходимость применения большого их количества. Для увеличения объемного веса железобетонных грузов в состав инертных заполнителей вводят утяжеляющие добавки — гематит, железную руду и т. д. — и тем самым объемный вес бетона доводят до 2,8—3,0 т/м3.
Следует отметить, что одиночные грузы могут создавать сосредоточенные нагрузки, повреждать изоляцию, затруднять протаскивание их по дну и исключать применение трубозаглубительных механизмов.
В последнее время при строительстве морских трубопроводов нашли применение пригрузки сплошными покрытиями из бетона, усиленного арматурой, поверх слоя антикоррозионной изоляции.
В большинстве случаев бетонную смесь наносят на поверхность методом торкретирования. Армированное бетонное балластное покрытие является эффективным способом утяжеления морских трубопроводов особенно большого диаметра. Следует отметить, что вопрос целесообразности применения сплошного покрытия из бетона связан с выбранным методом прокладки трубопроводов.
Бетонные и другие сплошные покрытия часто применяют при протаскивании трубопровода по дну моря без изгиба или с изгибом по кривой большого радиуса, чтобы предотвратить образование трещин.
Кроме того, сплошное покрытие хорошо защищает изоляцию и дает возможность применять наиболее производительные трубозаглубительные снаряды, перемещающиеся вдоль уложенных трубопроводов.
Особый интерес представляют специальные балластные покрытия, в состав которых входит асфальтовая мастика с частицами стекловолокна и утяжеляющими материалами. Такие сплошные покрытия имеют одновременно антикоррозионные свойства. Их объемный вес может составлять от 2,08 до 3,84 т/м3 в зависимости от количества добавляемых материалов.
Высокая пластичность этих покрытий исключает образование трещин при изгибе трубопровода в процессе укладки. Применение подобных покрытий, являющихся одновременно изоляционными материалами, допускает укладку трубопроводов методом наращивания с плавучих средств с изгибом в пределах упругих деформаций металла труб.
В отдельных случаях в спокойных акваториях с устойчивыми грунтовыми условиями, а также при прокладке трубопроводов через пойменные и заболоченные участки устойчивость может быть обеспечена винтовыми или другими видами металлических анкеров.
В настоящее время для изоляции подводных трубопроводов применяют каменноугольные эмали, битумную мастику и полимерную пленку. В последние годы разработаны напыляемые эпоксидные покрытия.
Каменноугольные эмали отличаются высокой сопротивляемостью к отслаиванию, водонепроницаемостью и устойчивостью к химическим реагентам. Однако эти покрытия плохо переносят ударные нагрузки, имеют низкую абразивную износостойкость, склонны к хрупкому разрушению при низких температурах и размягчению — при высоких.
Битумная мастика в отличие от каменноугольной эмали более износостойка, устойчива к ударным нагрузкам, но обладает меньшей адгезией и гибкостью.
Эпоксидные покрытия изготавливают из смеси эпоксидной пудры, красителя и отвердителя. Их наносят слоем толщиной 0,31—0,64 мм на предварительно подогретую (примерно до 232 °С) поверхность трубы. Эпоксидные покрытия обладают более высокими адгезионными свойствами, гибкостью и устойчивостью к абразивному износу и ударным нагрузкам, но требуют особой подготовки поверхности трубы, включая предварительный подогрев, а также специальной технологии нанесения утяжеляющего покрытия.
Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода свыше 2,14 % и постоянные примеси (Si, Mn, P, S) и затвердевающие с образованием эвтектики, называемой ледебуритом.
Чугун отличается от стали составом (более высоким содержанием углерода), лучшими литейными свойствами (жидкотекучесть, температура плавления), малой величиной пластической деформации, низкой ценой. Поэтому он получил широкое распространение в машиностроении − используется для производства качественных отливок сложной формы.
Углерод в структуре чугунов может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита (Fe3C) и в свободном состоянии в виде графита.
В зависимости от формы присутствующего углерода, т. е. в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома, различают чугуны:
− белые;
− серые (СЧ);
− ковкие (КЧ);
− высокопрочные (ВЧ).
В зависимости от формы включений графита чугуны бывают:
− с пластинчатым (СЧ) графитом;
− с хлопьевидным (КЧ) графитом;
− с шаровидным (ВЧ) графитом;
− с вермикулярным (червеобразным) графитом.
По характеру металлической основы чугуны подразделяются на:
– перлитный;
− ферритный;
− перлито-ферритный;
− аустенитный;
− бейнитный;
− мертенситный.
По назначению чугуныделятся:
– на конструкционные;
− со специальными свойствами.
По химическому составу чугуны бывают:
– легированные;
− нелегированные.
Белый чугун
В нем весь углерод находится в химически связанном состоянии и при нормальной температуре состоит из перлита и цементита. Свое название чугун получил по матово-белому цвету излома. Образуется при быстром охлаждении сплава.
Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды (HB 450-550), хрупки, плохо обрабатываются резанием и для изготовления деталей машин почти не используются.
Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны (отливки из серого чугуна с поверхностным слоем белого чугуна). Из них изготавливают прокатные валки, лемеха плугов, тормозные колодки, вагонные колеса и другие детали, работающие в условиях износа.
В соответствии с диаграммой Fe-Fe3C белые чугуны могут быть:
− доэвтектическими (2,14 < С < 4,3 %);
− эвтектическими (С = 4,3 %);
− заэвтектическими (С > 4,3%). Структура доэвтектического чугуна (рис.6.1, а) при комнатной температуре состоит из перлита (П), ледебурита (Л) и цементита вторичного (ЦII). Темные большие участки на микрошлифе − перлит. Участки с точечными темными вкраплениями или пластинами − ледебурит. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита, а частично виден в виде светлых выделений по границам перлитных областей.
Структура эвтектического белого чугуна (рис. 6.1, б) представлена ледебуритом (Л). На микрошлифе − пластины цементита со столбиками аустенита в них.
Структура заэвтектического белого чугуна (рис. 6.1, в) при комнатной температуре состоит из ледебурита (Л) и цементита первичного (ЦI).
Серый чугун
Серый чугун − это сплав сложного химического состава: 3,2-3,8 % С, 1-5 % Si, 0,5-0,9 % Мп, 0,2-0,4 % Р, до 0,12 % S. В сером чугуне углерод находится и в свободном состоянии в виде графита и, частично, в химически связанном состоянии в виде цементита перлитной фазы. Название серого чугуна определяется наличием в изломе либо светлых кристаллов цементита, или темных кристаллов графита.
Факторами, способствующими графитизации (выделению углерода в свободном состоянии), являются низкая скорость охлаждения и наличие в химическом составе чугуна графитизирующих элементов Si, Ni, Cu (препятствуют графитизации Mn, S, Cr, W).
Практически, изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном количестве марганца, получают различную степень графитизации.
Графит имеет практически нулевую прочность и пластичность. Он обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, повышенную износоустойчивость, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения, а также способствует гашению вибрации и резонансных колебаний. Кроме того, графит способствует при охлаждении отливки некоторому увеличению ее объема, чем обеспечивается хорошее заполнение формы.
Структура серого чугуна при получении отливок формируется в процессе медленного охлаждения, поэтому цементит, будучи при высоких температурах неустойчивым химическим соединением, распадается с образованием графита:
− Fe3C → Feγ(C) + C (графит) при температуре выше линии PSK;
− Fe3C → Feα(C) + C (графит) при температурах ниже линии РSК.
Чем больше скорость охлаждения, тем в меньшей степени успевает произойти процесс графитизации.
По характеру металлической основы серые чугуны различаются на:
− ферритный;
− перлито-ферритный;
− перлитный.
Ферритный чугун (рис. 6.2, а) имеет в структуре феррит (Ф) и графит (Г). Светлое поле микрошлифа − феррит, темные крупные прожилки (пластинки) − графит.
Феррито-перлитный чугун (рис. 6.2, б) имеет в структуре перлит (П), феррит (Ф) и графит (Г). Серый фон в поле микрошлифа − перлит, светлый − феррит и темные крупные прожилки − графит.
Перлитный чугун (рис. 6.2, в) состоит из перлита (П) и графита (Г). Основное серое поле микрошлифа − пластинчатый перлит, темные и крупные прожилки − пластинчатый графит.
Таким образом, структура серого чугуна представляет собой стальную основу, пронизанную графитовыми включениями.
Ферритные и феррито-перлитные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов и др.
Перлитные серые чугуны СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины станков и пр.
Согласно ГОСТ 1412-85 установлены марки отливок из серого чугуна. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение.
Например, у чугуна марки СЧ25 временное сопротивление при растяжении σb = 250 МПа; твердость НВ180-250 и структура металлической основы – Ф + П.
В структуре серых чугунов имеется фосфидная эвтектика, сернистые включения, шлаки, песчинки, поры и др. Фосфор в количестве 0,3 % растворяется в феррите. При большей концентрации он образует с железом и углеродом тройную "фосфидную" эвтектику c низкой температурой плавления (950 °С), что увеличивает жидкотекучесть чугуна, но приводит к высокой твердости и хрупкости после кристаллизации. Повышенное содержание фосфора допускается в отливках с высокой износостойкостью.
Модифицированный серый чугун. Отличается от серых чугунов размером, формой, распределением в структуре графитовых включений (перлитная основа с небольшим количеством изолированных пластинок графита).
Получают его из серого чугуна с пониженным содержанием углерода, добавляя в расплав модификаторы: ферросилиций, алюминий, силикокальций, магний и др. Они способствуют получению мелких изолированных и равномерно распределенных включений графита. Кроме того, приводят к устранению отбела чугуна и получению перлитной однородной металлической основы.
Перлитные модифицированные серые чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают повышенной прочностью и износостойкостью, хорошо обрабатываются резанием, их свойства меньше зависят от толщины стенок отливки, они имеют высокую теплостойкостью.
Их применяют при высоких нагрузках (зубчатые колеса, гильзы двигателей, шпиндели, распределительные валы и пр.) или для деталей топок и паровых котлов
Ковкий чугун
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Обычный химический состав ковких чугунов: 2,4-2,8 % С; 0,8-1,4 % Si; 1% Мп; 0,1 % S; 0,2 % Р.
Их получают путем специального графитизирующего отжига (томления) отливок из белых доэвтектических чугунов. Отливки загружают в специальные ящики, засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и производят нагрев и охлаждение по схеме (рис. 6.3).
В процессе отжига цементит, входящий в структуру белого чугуна, распадается на феррит и графит хлопьевидной формы.
При температуре 950-1000 °С происходит графитизация эвтектического и избыточного цементита (превращение метастабильного цементита в стабильный графит и аустенит).
При второй выдержке при температуре 720-740 °С графитизируется цементит образовавшегося перлита (иногда проводят медленное охлаждение от 770 °С до 700 °С в течение 30 часов при этом происходит кристаллизация по стабильной диаграмме). В результате продолжительного отжига весь углерод выделяется в свободном состоянии.
Отсутствие линейных напряжений, снятых во время отжига, благоприятная хлопьевидная форма и изолированность графитных включений обуславливают высокие механические свойства ковких чугунов. Они более стойки при ударах и изгибе, чем серые, и имеют высокие пластические свойства.
По характеру металлической основы ковкие чугуны различают на:
− ферритные (рис. 6.4, а);
− феррито-перлитные (рис. 6.4, б);
− перлитные.
Маркируют ковкие чугуны по ГОСТ 1215-79 буквами КЧ и двумя числами, первое из которых − минимальный предел прочности на растяжение в десятках мегапаскалей, а второе − относительное удлинение в %.
Например, ковкий чугун КЧ 45-7 имеет временное сопротивление при растяжении 450 МПа, относительное удлинение δ = 7 %, НВ 240 и структуру – Ф + П.
Из ковкого чугуна изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки (головки соединительных рукавов воздушной тормозной магистрали, корпусы вентилей, клапаны, муфты, картеры редукторов, коленчатые валы и др.).
Высокопрочный чугун
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, церием, иттрием и ферросилицием, которые вводят в жидкий серый чугун в небольшом количестве 0,02-0,08 %. Обычный состав высокопрочного чугуна: 2,7-3,8 % С; 1,6-2,7 % Si; 0,2-0,7 % Мn; 0,02 % S; 0,1 % Р.
По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть:
− ферритным (до 20 % перлита) − ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45;
− перлитным (до 20 % феррита) − ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100.
Шаровидный графит является более слабым концентратором напряжений, чем пластинчатый графит, поэтому меньше снижает механические свойства чугуна (рис. 6.5). Высокопрочный чугун обладает более высокой прочностью, хорошей износостойкостью, антифрикционностью и некоторой пластичностью. Он является хорошим заменителем литой стали, ковкого чугуна, сплавов цветных металлов.
Маркируют высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293-85 буквами ВЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение в десятках мегапаскалей.
Например, ВЧ40 − высокопрочный чугун, имеет временное сопротивление при растяжении 400 MПa, относительное удлинение − не менее 10 %, твердость НВ140-220, структура ферритная.
Маркировка по предшествующему ГОСТ 7293-79 предусматривала дополнительное указание относительного удлинения в процентах, например, ВЧ40-10.
Из высокопрочных чугунов изготавливают прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы, шатуны двигателей внутреннего сгорания и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.