Шойындар және оның түрлері

      Мазмұны

Кіріспе........................................................................................................3

Негізгі бөлім

     1. Шойындар және оның түрлері.......................................................4

     2. Модификацияланған шойын..........................................................7

     3. Металлдарды термиялық өңдеу....................................................10

   4. Металды термиялық өңдеу теориясы............................................10

Қорытынды..............................................................................................16

Қолданылған әдебиеттер........................................................................17

Глоссарий................................................................................................18

Қосымша кесте.......................................................................................19

 

.

                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               Кіріспе

Металдар мен металл қорытпаларының физика химиялық қасиеттерін өзгерту үшін оларды термиялық әдіспен өңдейді. Термиялық өңдеудің кез келгені қыздыру, белгілі бір температурада ұстап тұру, суыту сияқты үш кезеңнен тұрады.

Термиялық өңдеудің  барлық түрі бес топқа бөлінеді: 1. Бірінші күйдіру. 2. Екінші күйдіру. 3. Шынықтыру. 4. Жұмсарту. 5. Химия – термиялық өңдеу. Күйдірудің өзі мынадай  алты түрге бөлінеді: а)рекристализациялық күйдіру (қайта  кристалдау үшін), б)толық күйдіру, в)шала күйдіру,г) түйіршікті перлитке күйдіру, д)изотермиялық күйдіру, е) диффузиялық күйдіру.

Халық шаруашылығының түрлі  салаларында таза металдарға қарағанда қорытпалар жиі қолданылады, бұл жағдайда шойындар.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Шойындар және оның түрлері

Шойындар деп құрмында 2.14%-дан артық көміртегі болатын темір көміртекті қорытпаларды айтады. Қорытпадағы көміртектің қандай түрде болуына байланысты ақ, сұр, аса берік және соңғылымды шойындар деп бөлінеді.

Ақ деп барлық көміртек байланысқан күйде цементит түрінде болатын шойындарды айтады. Көміртектің мөлшеріне қарай ақ шойын эвтектикаға дейінгі (2.14-тен 4.3%-ке дейінгі С ), эвтектикалық (4.3% С) және эвтектикадан кейінгі  (4.3-тен 6.67%-ке дейінгі С) деп бөлінеді.

Шойындардың  фазалық құрылымы болаттардікіндей: феррит және цементит.(1-сурет) Шойында цементиттің мөлшері болаттағыға қарағанда әлде қайда көп, әрі ол көміртектің мөлшері өскен сайын арта түседі.

Эвтектикалық ақ шойынның микроқұрылымы тек бір ғана ледебуриттен  тұрады. Ледебурит дегеніміз құрамында 4.3% көміртек болатын сұйық шойын эвтектикалық кристалданғанда (1147ºС-та) түзіледі. Ол эвтектикалық цементиттен және құрамында 2.14% көміртек болатын аустениттен тұрады. Бұдан әрі қарай суытқанда көміртектің аустенитте еруінің азаюына байланысты аустениттен екінші ретті цемнетит бөлініп шығады.(2-сурет) 

727ºС эвтектика цементиттен және құрамында 0.8% С болатын аустениттен құралады. Бұл темпенратурада аустенит перлитке ауысады. Сонымен толық суығаннан кейін ледебурит ( цементиттік эвтектика ) цементит пен перлиттен құралады. Эвтектикаға дейінгі ақ шойынның толық суығыннан кейінгі құрылымы мынадай болады: ледебурит , перлит екінші реттік цементит. Екінші реттік цементит құрамында 1147ºС-та 2.14% С,  ал 727ºС-та 0.8% С болатын аустениттен бөлініп шығады. Құрамында аз мөлшері (2.14%-ке жақын) көміртек болатын ақ шойындарда екінші реттік цементит едәуір анық айқындалады, өйткені мұндай шойындарда ледебурит аз болады.

Сұр шойын графит кірмелері  теңбілденген металл негізінен құралады. Графит кірмелері ерітіндімен өңделмеген шлифтерде өте жақсы анықталады. Сұр шойынның металдық негізі болаттардың микроқұрылымына өте ұқсас және байланысқан көміртек мөлшеріне қарай ферритті,феррит-перлитті және перлитті болып бөлінеді. Сонымен сұр шойындардың құрылымдық типтері мынадай болуы мүмкін: феррит+пластинкалық графит-ферритті сұр шойын, феррит+перлит+пластинкалық графит-ферритті сұр шойын, перлит+ пластинкалық графит-перлиттік сұр шойын.

Аса берік шойынды  магниймен модификациялау арқылы алады, оның сұр шойыннан айырмашылығы графит кірмелері пластинка түрінде  емес шар тәріздес болады. Шар тәріздес графиттің жанында пластинкалы графитке қарағанда кернеу аз шоғырланады, сондықтан ол шойынның металдық негізінің механикалық қасиеттерін шамалы төмендетеді. Шар тәріздес графитті болатын шойынның беріктігі жоғары және біршама пластикалығы болады. Сұр шойындарда көрсетілген барлық құрылымның типтері аса берік шойындарда болуы мүмкін, бірақ бұл шойындардағы графит  шар тәріздес болады. Сонымен аса берік шойындарда микроқұрылымының мынадай типтері болуы мүмкін: феррит+шар тәріздес графит-ферриттік аса берік шойын, феррит+перлит+шар тәріздес графит-ферлит-перлиттік аса берік шойын, перлит+шар тәріздес графит-перлиттік аса берік шойын.

Соғылымды шойын деп  ондағы графиттің пішіні үлпек тәріздес болатын шойынды айтады. Оларды эвтектикаға дейінгі шойыннан жасыту-шымырландыру жолымен алады. Сондықтан соғылымды шойынның графиті жасыту көміртегі деген атпен аталады. Жасыту кезінде түгелдей жойылған құйылу кернеуінің болмауы, қолайлы пішін және графит кірмелерінің оқшаулануы соғылымды шойындардың жоғары механикалық қасиеттерін қамтамасыз етеді. Соғылымды шойынның металдық негізі ферритті, феррит-перлитті және перлитті болуы мүмкін. Осыған сәйкес ол ферритті, ферритті-перлитті және соғылымды шойын деп ажыратылады. 

 

Әр уақытта шойынның құрамында кездесетін кремний, маргенец, күкірт, фосфор сияқты элементтер шойынның физика – химиялық  қасиеттеріне әсерін тигізеді.

Кремний – күшті графит түзгіш элемент. Ол шойынның құрамында 0.5 - 4.5 % -ға дейін кездеседі.

Маргенец – күшті карбид түзгіш элемент, ол шойынның қрамында 2 %-ға дейін кездеседі. Күкірт шойынның аққыштық қасиетін нашарлататындықтан, шойынның құрамында оның мөлшері 0.08 - 0.1 %-дан аспайды. Күкірт маргенец сияқты, карбит түзгіш элемент.

Фосфор шойынның графиттелу процесіне әсерін тигізбейді. Әдетте фосфор элементінің мөлшері шойынның құрамында 0.1-1 % -дан аспайды. Фосфор темірмен әрекеттесіп, балқу температурасы 950 ºС болатын фосфид эвтектикасын (Fe P + Fe P) түзеді, ол шойынның қаттылық, үйкеліске беріктік қасиетін арттырады. Кез келген сұр шойын маркасын металдық негізден (цементит, феррит) және металл емес бөліктен (графит) тұрады деп қарастыруға болады. Бұл бөліктер мөлшерінің бір-біріне қатысты көміртегінің графиттелу дәрежесіне байланысты. Көміртегінің графиттелу дәрежесі неғұрлым жоғары болса, шойында графит мөлшері көп, металдық негіз құрайтын мөлшері аз болады. Сұр шойындардың қаттылық, беріктік, үйкеліске беріктік механикалық қасиеттерін олардың структурасындағы металл негіздегі перлит көбейген сайын жоғарылай береді. Сұр шойындар былайша белгіленеді: СЧ-00, СЧ-15-32, СЧ-32-52, СЧ-38-60 т.б., мұндағы СЧ – сұр шойын ( серый чугун ) дегенді, ал бұл әріптерден кейінгі бірінші цифр кг/мм² мен алынған шойынның үзілуге беріктік шегін, ал соңғы екі цифр иілуге беріктік шегін көрсетеді. СЧ-00 шойынның механикалық қасиеті кепілденбейтіндіктен, бұл шойынды жауаптылықты қажет етпейтін детальдар жасау үшін қолданады.

 

 

 

   Модификацияланған шойын

Сұр шойындардың механикалық қасиетін арттыру мақсатымен оларды балқытып, оларға модификатор деп аталатын, ұнтақталған (ферросилиций, феррокальций, Mg ) қоспаларды модификацияланатын шойынға қосады, қоспаның мөлшері 0.5-1 % шамасында болуы тиіс. Модификатор балқыған шойынның құрамындағы оттегімен қосылып, кристалдану орталығының қызметін атқарушы CaO, SiO тотықтарын түзуінің арқасында шойынның структурасы біркелкі орналасқан майда графитке айналады. Мұндай шойынды модификацияланған шойын деп атайды. Әдетте құрамында көміртегі мен кремний элементтерінің мөлшері аз шойындар модификацияланады. Мысалы: 2.9-3.2% C, 1-1.5% Si, 0.8-1.2% Mn, 0.3% P, 0.6% S.

Мұндай құрамды шойында  модификацияланғанға дейінгі графит модификацияланғаннан кейін майда пластинкалы графит түзуге себепші болады.

Соңғы кезде 65% ферросилиций мен 35% алюминийден тұратын қоспа күшті модификатор ретінде қолданылып жүр. Модификацияланған шойындардың маркасы сұр шойындар маркасы сияқты. Мысалы: СЧ-28-48, СЧ-32-52, СЧ-35-56, СЧ-38-60.

Шойынның бұл түрі машина жасау өндірісінде тісті  дөңгелектер, тежеуіш барабандар, біліктер т.б. әр түрлі машина детальдар жасау үшін қолданылады. Шойынды магний элементімен модификациялау шойынның жаңа түрін – беріктігі  жоғары шойындар алуға мүмкіндік береді. Мұндай шойынның құрамындағы графит шар (глобуляр) түрінде болады. Шойындағы графиттің шар формалы болуы шойынның металл бөлігінің өзара байланысын арттырып, олардың қасиетін болаттың механикалық қасиеттеріне жақындатады. Магний элементінің модификациялық әсері оның шойынның құрамындағы мөлшері 0.02%- дан асқанда байқалады. Әдетте беріктігі жоғары шойындардың құрамындағы магний элементінің мөлшері 0.05-0.08 %-дан аспайды. Шойынның құрамындағы кремний элементі магнийдің шойынды ағарту қабілетін жояды. Шойынды беріктігі жоғары шойынға айналдыру немесе цементитті графитті айналдыру үшін оны  950 ºС температураға дейін қыздырып, осы температурада үш сағаттай уақыт ұстап, баяу жылдамдықпен 500º-600º С-қа дейін салқындатады. Беріктігі жоғары шойынның структурасы сұр шойындікі сияқты ферритті, феррит-перлитті, перлитті болып келеді. Бұл шойындар былайша белгіленеді: ВЧ-40-10, ВЧ-60-2, ВЧ – беріктігі жоғары шойын; бірінші цифр созуға беріктік шегін , екінші цифр салыстырмалы ұзару коэффициентін көрсетеді. Соңғы кезде беріктігі жоғары шойындардан иінді вал сияқты жауапты детальдардың көптеген түрлері жасалып жүр. 

 

   Металлдарды термиялық өңдеу

Металдар мен металл қорытпаларының физика-химиялық қасиеттерін өзгерту үшін оларды термиялық әдіспен өңдейді. Термиялық өңдеудің кез келгені қыздыру, белгілі бір температурада ұстап тұру, суыту сияқты үш кезеңнен тұрады.

Металдың қыздыру температурасы  мен суыну жылдамдығын өзгерту  арқылы оның структуралық өзгеріс жылдамдығын арттыруға немесе кемітуге болады. (3-сурет)

Термиялық өңдеудің түрлері. А.А.Бочвардың еңбектері бойынша  термиялық өңдеудің барлық түрі бес  топқа бөлінеді: 1. Бірінші күйдіру. 2. Екінші күйдіру. 3. Шынықтыру. 4. Жұмсарту. 5. Химия – термиялық өңдеу.

1. Алдын - ала деформацияланған металды рекристалдану (қайта кристалдандыру) температурасынан ( t =0.4T ) жоғары температураға дейін қыздырып, сол температурада белгілі уақыт ұстап тұрып суытуды бірінші реттік күйдіру ( отжиг 1-го рода) немесе рекристалдану ( қайта кристалдану) деп атайды. Термиялық өңдеудің бұл түрі суық күйде өңделген ( штамтау, созу, соғу т.б.) детальдарды жұмсарту үшін қолданылады.

2. Металды фазалық өзгерту температурасынан (кризистік нүкте) жоғары температураға дейін қыздырып, сол температурада белгілі уақыт ұстап тұрып суытуды екінші реттік күйдіру ( отжиг 2-го рода ) немесе металдың физикалық қайта кристалдануы деп атайды. Термиялық өңдеудің бұл түріне қойылатын негізгі шарт өңделетін металдың фазалық өзгерісі немесе кризистік нүктеден жоғары температураға дейін қыздыру болуға тиіс.

3. Металды фазалық өзгерту температурасынан жоғары температураға дейін қыздырып, сол температурада белгілі уақыт ұстап тұрғаннан кейін үлкен жылдамдықпен суытуды шынықтыру ( закалка ) дейді. Шынықтыру екінші реттік күйдіру сияқты, айырмасы тек оның фазалық өзгеріс нүктелері бар металдарға ғана қолданылатындығында. Шынықтырған металл  теңсіздік

( тұрақсыз ) күйге келеді. Болат, шойын, дюралюминий, қола сияқты қорытпаларды шынықтыру арқылы олардың беріктік, қаттылық, үйкеліске беріктік қасиеттерін жоғарлатуға болады.

4. Металды фазалық өзгерту температурасынан төмен температураға дейін қыздырып, сол температурада біраз уақыт ұстап тұрғаннан кейін баяу жылдамдықпен ( әдетте ауада ) суытуды жұмсарту( отпуск ) дейді.

Жұмсартылған металл теңсіздік күйден тепе теңдік күйге  өтіп, оның қаттылығы мен беріктігі  төмендеп, пластикалық қасиеті жоғарылайды.

Металды теңсіздік күйден тепе теңдік күйге өткізетін процестер қалыпты температурада да жүруі мүмкін. Металдың өздігінен жұмсаруы оның табиғи ескіруі, ал оның төменгі температураларда (100º-150ºС) жұмсаруы жасанды ескіруі деп аталады.

5. Қалыпты немесе жоғары температурада , диффузия құбылысы арқылы металдың сыртқы қабатының химиялық құрамын өзгертуді химия-термиялық өңдеу деп атайды. Өндірісте термиялық өңдеудің бұл түрінің йементтеу, азоттау, циандау, алитирлеу деген т.б. түрлері қолданылады.

 

   

 

                                                                                                                           

 

Металды термиялық өңдеу  теориясы

Болат халық шаруашылығының түрлі саласында конструкциялық материал ретінде, басқа материалдарға қарағанда, жиі қолданылады. Болаттың тамаша ерекшеліктерінің бірі – оның  структурасының температураға байланысты өзгеруі.

Болаттың қыздырған  кездегі өзгерістерін қарастырып көрелік. Құрамында 0.83% көміртегі бар эвтектоидтық болатың бастапқы структурасы перлиттен ( феррит пен екінші реттік цементиттің қоспасы ) тұрады. Осы болатты Ас ( 723º С ) температураға дейін қыздырсақ, ол перлиттен аустенитке айналады: қыздыру температурасы неғұрлым жоғарлаған сайын перлиттің аустенитке айналу жылдамдығы арта түседі. Ас температурадан жоғары температурада α-Fe темір торына ауысу және көміртегінің темір торында еру ( цементит түзілу) процестері жүреді.

Изотермиялық өзгеріс  диаграммасы тұрақты температурада  аустениттің перлитке айналу уақытының суыну температурасына байланысты екендігін көрсетеді. Диаграмма температура және уақыт координаталары бойынша сызылып, өзгеріс уақыты ( ыдырау ) секундтан сағатқа дейін созылатындықтан, уақыт логарифмдік шкала бойынша салынады. Аустениттің изотермиялық өзгерістерінің нәтижесінде ( өзгерістің барлық температураларында ) феррит-цементитті қоспа түзіледі. Өзгеріс температурасына байланысты бұл қоспаның дисперсиясы ( түйіршіктерінің мөлшері ) әр түрлі болғандықтан, оның механикалық қасиеттері де әр түрлі болады. Изотермиялық өзгеріс температурасы төмендеген сайын перлиттің дисперсиясы жоғарылайды.