Обработка металла отливок, гомогенизация

[Введите текст].

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА ОТЛИВОК (гомогенизация).

Цель работы — разобрать процесс гомогенизации отливок (устранения ликвационной неоднородности).

Графические зависимости изменения дi и D от температуры Сталь 10X18H10Т, диффундирующий элемент — Mn.

дi = ,.

где — значение из таблицы, t-время выдержки, l₀=d/2.

d (м) =2,71*10−20 + 0,003* h (м) = 0.345.

h-толщина затвердевшего металла (115мм=0.115м) Для t=1час (3600сек), h =115мм.

Для t=3часа (3*3600сек), h =115мм.

Для t=30час. (30*3600сек), h =115мм.

Для t=30час. (30*3600сек), h =50мм.

^{Ду25Ру16. материал корпуса сталь 10×18н10т}

^{Химическое оборудование. изготовлено из нержавеющей стали Х 18 Н 10 Т.}

Прокатные листы и трубы из стали: 10Х18Н10Т

Фланцы из стали: 10Х18Н10Т

Товары народного потребления из нержавеющей стали: 10Х18Н10Т

Геометрия дендритов. Дендритыкристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кристаллы, получившие название дендритов (рисунок 1). При образовании кристаллов их развитие идет в основном в направлении, перпендикулярном к плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов. Это приводит к тому, что первоначально образуются длинные ветви (рис. 1 а), так называемые оси первого порядка (I — главные оси дендрита). Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах зарождаются и растут перпендикулярные к ним такие же ветви второго порядка (II). В свою очередь, на осях второго порядка зарождаются и растут оси третьего порядка (III) и т. д. В конечном счете образуются кристаллы в форме дендритов (рис. 1 б).

Рисунок 1 — Схема дендритного кристалла (а) и роста дендритов (б).

Гомогенизирующая термообработка - термообработкой называется тепловое воздействие на металл с целью направленного изменения его структуры и свойств. Гомогенизация— отжиг, направленный на уменьшение химической неоднородности (микроликвации) металлов, образующейся в результате рекристаллизации. В отличие от чистых металлов, все сплавы после кристаллизации характеризуются неравновесной структурой, т. е. их химический состав является переменным как в пределах одного зерна, так и в пределах всего слитка.

Дендритная ликвация. Ликвация — неоднородность химического состава сплавов, возникающая при кристаллизации. Дендритная ликвация проявляется в микрообъемах сплава, близких к размеру зерен. Дендритная ликвация может быть ослаблена продолжительным нагревом затвердевшего сплава при температурах, обеспечивающих достаточную скорость диффузии. После такого нагрева, называемого диффузионным отжигом или гомогенизацией, дендритная структура литого сплава уже не выявляется и сплав состоит из однородных кристаллов твердого раствора.

Законы Фика — законы диффузии в идеальных растворах при отсутствии внешних воздействий.

1-й закон Фика устанавливает пропорциональность диффузионного потока частиц градиенту их концентрации:

m=-D (dc/dx),.

где D-коэффициент диффузии, m-количество вещества, диффундирующего в единицу времени, dc-концентрация, dx-расстояние в выбранном направлении, dc/dx-градиент концентрации элемента.

2-й закон Фика описывает изменение концентрации, обусловленное диффузией:

dc/dф=D (d²c/dx²),.

где dф-время изменения концентрации Открыты немецким ученым А. Фиком в 1855 г.

Ликвационная неоднородность. Ликвация-неоднородность химического состава материала.

Дендритная (внутрикристаллическая)-неоднородность химического состава, возникающая при кристаллизации в пределах кристаллита (дендрита), различают прямую (обогащение периферийных участков кристаллита) и обратную (обогащение осевой зоны кристаллита).

Зональная-ликвация, наблюдаемая во всём объёме изделия (заготовки).

Зомнная пламвка (зомнная перекристаллизамция) — метод очистки твёрдых веществ, основанный на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах. Метод является разновидностью направленной кристаллизации (процесс кристаллизации вещества в заданном направлении и заданной формы при равномерном с определённой скоростью продвижении фронта кристаллизации), от которой отличается тем, что в каждый момент времени расплавленной является некоторая небольшая часть образца. Такая расплавленная зона передвигается по образцу, что приводит к перераспределению примесей. Если примесь лучше растворяется в жидкой фазе, то она постепенно накапливается в расплавленной зоне, двигаясь вместе с ней. В результате примесь скапливается в одной части исходного образца. По сравнению с направленной кристаллизацией этот метод обладает большей эффективностью. Метод был предложен В. Дж. Пфанном в 1952 году и с тех пор завоевал большую популярность. В настоящее время метод используется для очистки более 1500 веществ.

Схема устройства для зонной плавки в лодочке приведена на рис. 1.

Очищаемое вещество помещают в лодочку из тугоплавкого материала. Основные требования к материалу лодочки:

• · высокая температура плавления;
• · материал лодочки не должен растворяться в очищаемом веществе или реагировать с ним.

Лодочку помещают в горизонтальную трубу, у которой один конец может быть запаян или через него подают инертный газ. Если он запаян, то другой конец трубы соединен с вакуумной установкой.

Один конец образца расплавляется, затем расплавленная зона начинает двигаться вдоль слитка. Длина расплавленной зоны зависит от длины слитка и составляет несколько сантиметров. Вещество плавится либо индукционными токами, либо теплопередачей в печи сопротивления. Скорость движения составляет, как правило, от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в час. Движение может осуществляться либо за счет вытягивания лодочки через неподвижную печь, либо смещением зоны нагрева.

Метод обладает рядом недостатков. Основной недостаток — невозможность масштабирования, так как скорость процесса определяется скоростью диффузии примеси. Поэтому метод применяется для конечной стадии очистки при получении особо чистых веществ. Максимальные габариты лодочки — длина 50 см, толщина 2−3 см, длина расплавленной зоны 5 см.

Металл высокой чистоты (чистый металл)— металл с низким содержанием примесей. В зависимости от степени чистоты различают металлы повышенной чистоты (99,90—99,99%), металлы высокой чистоты, или химически чистые (99,99—99,999%), металлы особой чистоты, или спектрально-чистые, ультрачистые металлы (свыше 99,999%).

Никельмедные сплавы— сплавы на основе меди, содержащие никель в качестве главного легирующего элемента. Никель образует с медью непрерывный ряд твёрдых растворов (фазы переменного состава, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решётке). При добавлении никеля к меди возрастают её прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, сильно повышается стойкость против коррозии. Н. м. с. хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии — из них получают листы, ленты, проволоку, прутки, трубы, штампуют различные изделия. Н. м. с. подразделяют на конструкционные и электротехнические. Конструкционные Н. м. с. отличаются высокой коррозионной стойкостью и красивым серебристым цветом; к ним относятся мельхиор ((МНЖМцЗО-0,8−1) — для труб термостатов, а МН19 — для столовой посуды. Жаропрочные сплавы меди содержат в небольших количествах кадмий — около 1%, цирконий — до 0,5%, хром 1,0%) и нейзильбер («новое серебро» (МНЦ 15−20) — для деталей электромашин, медицинского инструмента, посуды). Электротехнические Н. м. с. имеют высокое электросопротивление и высокую термоэдс в паре с другими металлами. Их применяют для изготовления резисторов, реостатов, термопар. К электротехническим Н. м. с. относятся константан (МНМц 40−1,5) — содержит марганец. Используется для реостатов, нагревательных приборов (до 500 °С), копель (Мнмц4ЗД5) — для термопар и другие сплавы. Благодаря разнообразным ценным свойствам Н. м. с., несмотря на дефицитность никеля, находят широкое применение в электротехнике, судостроении, для производства посуды, художественных изделий массового потребления, в медицинской промышленности, пирометрии.

Температура отжига. Отжиг. Отжиг первого рода — процесс термической обработки, заключающийся в нагреве детали до температуры ниже фазовых превращений, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении с заданной скоростью.

Такой вид отжига применяется для снятия наклепа и внутренних напряжений у деталей, подвергнутых холодной деформации (холодная прокатка, холодная штамповка, волочение).

Температура рекристаллизационного отжига любого металла берется на 50—100° С выше температуры рекристаллизации данного металла. Температура рекристаллизации данного металла или сплава берется равной 0,4 температуры плавления (отсчитанной от абсолютного нуля).

Рекристаллизация заключается в том, что, начиная с некоторой температуры, при нагреве происходит интенсивное перемещение атомов в металле, что влечет за собой изменение формы и величины деформированных кристаллических зерен.

В процессе рекристаллизации происходят превращения, аналогичные тем, которые происходят при первичной кристаллизации и вторичной перекристаллизации, т. е. зарождаются новые центры кристаллов и происходит одновременно их рост. Взамен вытянутых, расплющенных зерен, образуются мелкие, сфероидальные зерна, повышаются пластические свойства, металлу возвращаются исходные свойства.

Температура рекристаллизационного отжига для разных металлов и сплавов различная: она зависит только от температуры рекристаллизации данного металла или сплава.

Отжиг второго рода является перекристаллизационным отжигом. Во время его проведения в материале происходит полиморфное или другое фазовое превращение, связанное с заменой данной фазы другой (фазовая перекристаллизация). Поэтому для изменения кристаллитов в поликристалле материал отжигают при температуре, превышающей температуру этого превращения. Так как фазовая перекристаллизация осуществляется путем зарождения и роста центров новой фазы, то меняя скорость нагрева и охлаждения, а также температуру перегрева (выше температуры полиморфного превращения), можно управлять величиной кристаллитов. Повышение скорости нагрева и охлаждения увеличивает число центров и измельчает зерно, перегрев укрупняет зерно.

При перекристаллизационном отжиге нагрев и последующее охлаждение может вызвать как частичную, так и полную замену исходной структуры. Полная перекристаллизация позволяет кардинально изменить строение сплава, уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние напряжения, т. е. полностью изменить структуру и свойства материала. При неполном отжиге структурные превращения происходят не полностью, с частичным сохранением исходной фазы. Неполный отжиг применяется в тех случаях, когда можно изменить строение второй фазы, исчезающей и вновь появляющейся при этом виде отжига.

Точка Кюри, или температура Кюри, — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества. Так, никельмедные сплавы с ликвационной неоднородностью имеют не строго определенную точку Кюри, а температурный интервал, внутри которого намагниченность плавно уменьшается до нуля. Это свойство используют в приборостроении.

Микросегрегация- микронеоднородность химического состава материала, возникающая при кристаллизации или термообработки в твёрдом состоянии.

Однородность жидкой фазы. В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяются один в другом образуя однофазный жидкий раствор.

Однофазный сплав имеет однородную гетерогенную систему с собственным химическим составом, строением, свойствами.

Равновесное состояние структуры-состояние которое соответствует минимальному значению свободной энергии.

Неравновесные условия-внешние факторы влияющие на состояние сплава (температура, давление).

Параметр остаточной микроликвации. Влияние гомогенизации на микросегрегацию характеризуется параметром остаточной микроликвации;

дI = (Cmax — Cmin) / (C0max — C0min),.

где C_max — максимальная концентрация растворимых примесей в элементе i (обычно в междендритных пространствах) в момент времени t; C_min-минимальная концентрация растворимых примесей в элементе i (обычно в центре дендритных ветвей) в момент времени t; C⁰_max-максимальная первоначальная концентрация растворимых примесей в элементе i; C⁰_min-минимальная первоначальная концентрация растворимых примесей в элементе i.

Процессы диффузии выравнивают состав жидкой фазы и этот состав соответствует равновесию на границе раздела твёрдый раствор-жидкость. кристалл диффузия плавка германий.

Распределение концентрации растворённых компонентов поперёк ветвей носит синусоидальный характер (с максимумом в междендритных областях и минимумом по центру дендритных ветвей).