Колпаков C. Металловедение

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 19. Зажим для шлифов (а), оправка с залитыми шлифами (б).

Подготовку поверхности, шлифование и полирование образцов ведут с

помощью абразивных материалов и инструментов. Абразивные материалы

представляют собой измельченные породы и бывают природные (алмаз,

корунд, наждак, гранат, кварц, кремень, крокус-оксид железа и др.) и

искусственные (синтетический алмаз, эльбор – нитрид бора, электрокорунд,

карбид кремния, карбид бора, оксид алюминия).

Каждое зерно абразивного

материала представляет собой

кристаллический осколок твердого материала, как бы «микрорезец», а ребра

зерен – режущую кромку. При движении образца по поверхности

абразивного материала режущие кромки зерен снимают с него слой металла.

Чем крупнее зерно, тем больший слой металла снимается за один рабочий

ход.

Готовые абразивные материалы состоят из зерен различных размеров, т

е. содержат различные по размеру фракции: предельную, крупную,

основную, комплексную и мелкую. Абразивный материал имеет номер

зернистости, который связан с размером и содержанием зерен основной

фракции. Например, если номер зернистости 50, то размер зерна основной

фракции находится в пределах 630 – 500 мкм. В зависимости от крупности

зерна абразивные материалы делятся на шлифзерно, шлифпорошки,

микропорошки и тонкие порошки.

Шлифование и полирование образцов можно вести абразивным

материалом (порошками и пастой) и абразивным инструментом (шлифоваль-

ные круги, бруски, шлифовальная шкурка). Шлифовальная шкурка – это

специально подготовленная бумажная или тканевая основа, на которую

электростатическим или механическим способом нанесен абразивный

материал и закреплен на основе с помощью клеящего вещества. В

за-

висимости от клеящего вещества шлифовальная шкурка предназначается для

сухого шлифования или для шлифования с водяным, масляным или

керосиновым охлаждением (водостойкая шкурка).

Для шлифования и полирования металла в качестве абразивного

материала можно применять специальные пасты. Наиболее употребительны

паста ГОИ (Государственного оптического института) и хромоалюминиевая.

Эти пасты состоят из порошков, действующих как абразив, жиров,

связующих и поверхностно-активных веществ, оказывающих химическое

воздействие на поверхность обрабатываемого металла. В зависимости от

величины абразивного зерна паста бывает грубая, средняя и тонкая.

Шлифование и полирование этими пастами является химико-

механической обработкой. При обработке пустой на мельчайших выступах

поверхности образуются пленки

сернистых или оксидных соединений. При

трении эти пленки легко срываются с выступающих частиц металла и

поверхность образца выравнивается.

Приготовление микрошлифов состоит из нескольких последовательных

процессов: подготовки плоской поверхности, шлифования и полирования.

Плоскую поверхность подготавливают на торцовой поверхности

образца. Образец обрабатывают на вращающемся шлифовальном круге или

опиливают напильником. При большой частоте

вращения шлифовального

круга подготовку поверхности ведут с охлаждением образца и с малым

нажимом. Перегрев образца и сильное механическое воздействие изменяют

микроструктуру, что приводит к ошибочному результату исследования.

Полученная поверхность должна быть плоской и не иметь завалов.

Существует два способа шлифования металлографических образцов: ручной

и механический.

При ручном способе шлифования на жесткую

плоскую подкладку

(толстое стекло или лист металла), расположенную горизонтально, кладут

шлифовальную шкурку. Образец ставят бумагу заторцованной плоскостью и

шлифуют последовательно во взаимно перпендикулярных направлениях с

легким нажимом до полного уничтожения рисок, оставшихся после

торцовки. Закончив шлифование на шкурке с самым мелким зерном, образец

промывают проточной водой и полируют.

Шлифование металлографических

образцов механическим способом

ведут на специальных шлифовальных станках. Шлифовальный станок

представляет собой один или несколько металлических кругов,

приводимых в движение электродвигателем. На металлические круги

накладывают или наклеивают круги, вырезанные из шлифовальной бумаги.

Иногда вместо шлифовальной бумаги крупной зернистости применяют

карборундовые круги. При механическом шлифовании, так же как и при

ручном,

меняют шлифовальные шкурки, последовательно переходя от

крупнозернистых к мелкозернистым. При механическом шлифовании

образцы часто нагреваются, в этом случае их периодически охлаждают в

воде.

После завершения шлифования на поверхности шлифа остаются тонкие

риски. Чтобы окончательно выровнять поверхность, шлиф полируют до

зеркального блеска. Применяется два способа полировки шлифов:

механический и электролитический.

Полирование шлифа

механическим способом производится на

полировальном станке, принципиальное устройство которого такое же, как и

шлифовального. Иногда один и тот же станок применяют и для шлифования

и для полирования. Над полировальным станком прикрепляют бачок для

полировочной жидкости, которая через топкую трубку с краном подается на

полировальный круг. Полировальный круг помещен в кожух, имеющий

патрубок для отвода жидкости. Круг покрывают мягкой тканью: сукном,

фетром, драпом, шелком и др. Чем мягче полируемый металл, тем тоньше

должно быть строение ткани

. Если из шлифа могут выкрошиться хрупкие

фазы, то полировать его следует на ткани без ворса.

При полировании ткань равномерно смачивается полировочной

жидкостью - смесью абразивного материала с водой. Для полирования

стальных шлифов применяют оксиды хрома и алюминия, а шлифов цветных

металлов - оксид магния.

Частота вращения полировальных кругов такая же, как и

шлифовальных

(~20—140 рад/с). Мягкие сплавы полируют при меньшей частоте вращения

круга. При полировании шлиф периодически поворачивают для более

равномерной. обработки всей поверхности.

При электролитическом полировании гладкая и блестящая поверхность

на металлическом образце получается в результате анодного растворения

выступов микрорельефа. Для электрополирования шлифов используют

специальную установку, принципиальная схема которой показана на

рис. 20.

Отшлифованный образец. 2 (анод) включают в цепь постоянного тока,

создаваемого выпрямителем 6, и помещают в электролизную ванну 3,

заполненную электролитом 4. Катодом 1 служит металлическая пластинка.

Для равномерного протекания процесса полирования электролит

перемешивают механической или электрической мешалкой 5.

Электролизные ванны изготовляют из кислотоупорных материалов. Не

подогреваемые ванны делают из стекла, фарфора, фторопластов;

подогреваемые – из нержавеющей стали

. Катоды вырезают из листового

металла: меди, свинца, нержавеющей стали и др.

Рис.20. Схема установки для электрополирования шлифов.

Для электрополирования металлов и сплавов разработано большое

количество электролитов. Во многих случаях в электролите одного состава

можно полировать различные металлы, применяя индивидуальные режимы

полирования.

Для каждой пары металл - электролит должен быть подобран

оптимальный режим полирования: температура, напряжение, плотность

электрического тока, время, материал катода.

Приготовление микрошлифов различных сплавов имеет свои

особенности.

Чтобы

предохранить поверхность шлифа от возможного окисления, при

полировании и промывании применяют пассирующий раствор и особенно

тщательно шлифы промывают спиртом и просушивают.

Если шлиф необходимо сохранить на длительные сроки, его

поверхность покрывают тонким слоем раствора кедрового масла в серном

эфире. Эта пленка прозрачна и не препятствует изучению шлифа. Если же ее

надо удалить, то шлиф протирают спиртом или бензином.

§ 15. МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ

Основы выявления микроструктуры. Микроструктура металлов и

сплавов характеризуется величиной зерна, расположением, формой, разме-

ром и количеством различных фаз. Эти факторы влияют на физические и

механические свойства сплавов.

Микроструктуру сплавов изучают под микроскопом (при различных

увеличениях) на хорошо приготовленных

шлифах. Для выявления микро

структуры сплавов применяют следующие методы: химическое травление,

электролитическое травление, магнитный метод, тепловое травление,

травление в расплавленных солях, катодное травление, усиление рельефа

микроструктуры после объемных превращений.

Различные фазы сплава отличаются химическим составом,

кристаллическим строением, механическими свойствами, поэтому в основе

всех методов выявления микроструктуры лежит подбор условий, которые

помогают выявить как различные фазы, так и отличить их друг от друга. Для

выявления микроструктуры применяют специально подобранные кислоты и

щелочи различной концентрации, растворы различных солей и их смеси,

различные составы электролитов, нагрев до различной температуры на

воздухе или в специальной среде газов и паров, нагревание до определенных

температур при пропускании

электрического тока. При воздействии этих

факторов на поверхность шлифа происходит растворение одних фаз,

окисление и окрашивание других. В результате на шлифе под микроскопом

можно увидеть очертания зерен и различных фаз, определить их взаимное

расположение; по цвету, форме и размерам определить присутствующие в

сплаве фазы – выявить микроструктуру сплава.

Метод магнитной металлографии

заключается в том, что на шлиф

наносится суспензия с магнитным порошком. Порошок осаждается на

участках ферромагнитной фазы, создавая ее очертания. Этот метод

применяют для выявления ферромагнитной фазы в немагнитной основе, им

можно выявить также наличие феррита или мартенсита в аустените его

можно использовать и для выявления немагнитной фазы в магнитной основе

(карбидов или аустенита в феррите).

Суть теплового травления заключается в том, что при нагреве на

поверхности металла в результате взаимодействия с кислородом воздуха

образуется оксидная) пленка различного состава и толщины, а

следовательно, и цвета.

При нагревании шлифа в первую очередь окисляются границы

различных фаз и зерен, места/искажения кристаллической решетки и гра-

ницы различных включений.

При

окислении поверхность шлифа сначала становится матовой, а затем

приобретает различную окраску, зависящую от химического состава сплава

или фазы, температуры и продолжительности нагрева. Поэтому для каждого

сплава разрабатывается индивидуальный режим травления: устанавливают

связь между цветом (толщиной) пленки на различных фазах, продол-

жительностью выдержки и температурой. Чем больше различаются фазы по

способности

к окислению, тем надежнее этот метод. Для сокращения

продолжительности теплового травления шлиф можно предварительно

слегка протравить реактивом. После этого при тепловом травлении фазы

выявляются более контрастно. Однако цвет оксидной пленки изменяется,

также изменяется и режим травления – температура и продолжительность

выдержки.

При тепловом травлении однофазных сплавов зерна феррита или

аустенита, имеющие различную

ориентацию, окрашиваются в различный

цвет. При травлении многофазных сплавов каждая фаза окрашивается в свой

определенный цвет.

При травлении в расплавленных солях хорошо подготовленный и

обезжиренный шлиф погружают в горячую расплавленную соль и

выдерживают определенное время. В зависимости от химического состава

сплава и соли на поверхности шлифа образуются оксидные пленки

различного

состава и цвета. После окончания травления образец извлекают

из соли, промывают в горячей воде и протирают спиртом

Режимы травления (температура и длительность выдержки) зависят от

химического состава сплава и соли, поэтому разрабатываются отдельно для

каждого сплава.

Этот метод применяют для выявления микроструктуры сплавов на

основе хрома, никеля, ниобия, вольфрама и других

металлов.

При катодном распылении шлиф в качестве катода помещается в

двухэлектродную газоразрядную трубку, заполняемую нейтральными газами.

При пропускании электрического тока катод распыляется, что приводит к

выявлению его микроструктуры. Количество распыленного вещества

пропорционально квадрату плотности тока. Для заполнения газоразрядных

трубок применяют аргон, гелий, азот и водород. Анод для трубки обычно

изготовляют из алюминия, так как он имеет низкую скорость распыления.

Образец при травлении охлаждается для избежания фазовых превращений.

Этим методом четко выявляют границы и строение зерен.

Метод выявления микроструктуры по изменению объема применяют,

когда фазовое превращение в сплаве происходит со

значительным

изменением объема. В этом случае на хорошо приготовленном шлифе виден

рельеф, образованный одной из фаз.

Этим методом можно изучать образование мартенсита и его строение.

После полирования в различных условиях (в результате различного отпуска)

мартенсит может изменять окраску от светло – серой до темно – коричневой.

Мартенсит, образованный при различных температурах (во

время

охлаждения с температуры закалки), окрашивается в разные цвета.

§ 16. ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ

Наиболее часто применяется метод химического травления. При

химическом травлении поверхность шлифа подвергается воздействию хи-

мических реактивов в течение определенного времени и при заданной

температуре. Травление может быть общим (при этом выявляется вся

микроструктура) и избирательным (выявляется какая-либо

деталь

микроструктуры).

Для составления травителя в качестве растворителей обычно применяют

водопроводную или дистиллированную воду, различные спирты. Выбор

растворителя зависит от состава травителя и сплава. Если нужна высокая

скорость травления и контрастность изображения, применяют в качестве

растворителя воду. Для получения большой четкости при выявлении мелких

детален микроструктуры и уменьшения их окисления

при травлении и сушке

применяют в качестве растворителя спирты. Все применяемые для

составления реактивов вещества должны быть высокой степени чистоты.

Обычно травители применяют комнатной температуры. Если надо ускорить

процесс травления, их подогревают до определенной температуры (в

зависимости от состава). Для составления травителей применяют кислоты,

щелочи и соли.

Кислоты, как правило, оказывают

разъедающее действие на металл.

Окислители вводят в травитель для образования оксидных пленок раз-

личного цвета, по которому узнают фазу. Восстановители добавляют в

травитель для уменьшения интенсивности растворения и для выделения на

определенных фазах сплава окрашенных осадков, по цвету которых узнают

некоторые фазы.

Микроструктуру металла при химическом травлении выявляют

различными способами:

погружением образца в травитель, втиранием

травителя в .поверхность шлифа и смачиванием поверхности шлифа

травителем.

Продолжительность травления зависит от химического состава сплава и

термической обработки, концентрации реактива и его химической

активности, от увеличения, при котором будет проводиться изучение

микроструктуры: чем больше увеличение, тем меньше длительность травле-

ния. Время травления подбирают экспериментально.

Качество травления проверяют под микроскопом при том же увеличении, при

котором будет производиться дальнейшее изучение шлифа. Если поверхность шлифа,

видимая под микроскопом, очень светлая, нет четкости контуров структуры, то шлиф

недотравлен и нужно произвести повторное травление. Если же поверхность шлифа,

видимая под микроскопом, темная, с широкими темными границами структурных

составляющих, то шлиф перетравлен. В этом случае его переполировывают, чтобы снять

поверхностный слой, и повторно травят.

После окончания травления, чтобы избежать окисления, шлиф очищают

от остатков травителя и продуктов травления - промывают и высушивают.

Составы некоторых реактивов и их применение приведены ниже.

Для выявления микроструктуры стали:

1. Азотная кислота 1,5 см

; этиловый спирт С

ОН (или метиловый

спирт) 100 см

. Применяют для всех железоуглеродистых сплавов, про-

шедших различную обработку.

2. Пикриновая кислота 4 г; этиловый или метиловый спирт - 100 см

Хорошо выявляет границы ферритных зерен и зерен аустенита в закаленной

стали.

Для выявления микроструктуры чугуна:

1. 2-2,5%-ный раствор азотной кислоты в амиловом спирте. Выявляет

структуру кремнистого и серого чугуна.

2. 2,4%-ный водный раствор пикриновой кислоты 98 ч.; азотная кислота

- 2 ч. Применяют для определения перлита и фосфидной эвтектики.

Для выявления микроструктуры меди и

медных сплавов:

1. Аммиак 25%-ный 1 ч; перекись водорода 3%-ная 1 ч. Травят

втиранием свежеприготовленного раствора от 5 – 15 с и более.

Образующуюся на шлифе пленку снимают слабым раствором хлорного

железа. Соотношение количества аммиака и перекиси водорода может

изменяться от 20:1 до 1:100.

Для выявления микроструктуры алюминия и его сплавов:

1. 5-20% - ный раствор в воде или метиловом

спирте хорошо выявляет

границы зерен. Окрашивает присутствующие в сплавах фазы в различные

цвета.

При травлении шлифов следует соблюдать все правила работы с

ядовитыми и вредными химическими веществами.

§ 17. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

Нормальный глаз человека наиболее четко различает объекты,

находящиеся от него на расстоянии ~250 мм, называемом расстоянием

«наилучшего видения». С этого расстояния глаз видит раздельно две точки а

и b (т.е. точки а и b «разрешаются глазом») (рис. 21), расстояние между

которыми около 0,2 мм. Угол зрения м составляет в

этом случае 2 мин.

Чтобы увеличить рассматриваемый объект, нужно увеличить угол зрения.

Для получения увеличенного изображения объекта применяют оптические

приборы - лупу и микроскоп. Во сколько раз угол зрения (1)1, создаваемый

оптическим прибором при изучении объекта, больше угла зрения, под

которым невооруженный глаз видит этот объект на расстоянии ~250 мм, во

столько раз оптический прибор

увеличивает изображение объекта.

Металлографический микроскоп имеет довольно сложное устройство,

которое включает механическую систему, оптику (объективы и окуляры),

осветительную систему и систему фотографирования.

Рис. 21. Схема наблюдения объекта невооруженным глазом.

Принципиальная схема микроскопа. Микроскоп – это оптический

прибор для наблюдения объектов, невидимых невооруженным глазом.

Увеличение изображения объекта в микроскопе происходит в две ступени:

первое увеличение дает объектив, второе – окуляр. Объектив и окуляр

представляют сложные оптические системы и состоят из нескольких линз.

ГЛАВА V

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

§ 23. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сплавы системы железо – углерод (чугуны и стали) составляют основу

конструкционных металлических материалов. Их удельный вес в

машиностроении, энергетических установках, транспортных устройствах и

в строительных конструкциях достигает 95 – 97%.

В нашей стране выплавка стали достигла уровня 150 – 160 млн. т в год;

такого количества стали не производит ни одна страна в мире. Это было

достигнуто как непрерывным наращиванием мощностей металлургических

заводов, так и использованием самых современных способов выплавки стали.

Для массового производства стали в современной металлургии

основными исходными

материалами являются передельный чугун и стальной

скрап (лом). По химическому составу сталь отличается от передельного

чугуна меньшим содержанием углерода (оно не превышает 2%), марганца,

кремния и других элементов, так называемых примесей. Поэтому выплавка

стали – передел чугуна и скрапа в сталь – сводится к проведению

окислительной плавки для удаления избытка углерода, марганца и

других

примесей.

Рассмотрим современные способы сталеплавильного производства.

Кислородно-конверторный процесс. Сущность этого способа

производства стали состоит в том, что налитый в плавильный агрегат

(конвертор) (рис. 39) жидкий чугун продувают с помощью специального

устройства фурмы – струей кислорода сверху. Углерод, кремний и другие

примеси окисляются и тем самым чугун переделывается в сталь. Режим

кислородного дутья оказывает очень большое влияние на производи-

тельность конвертора и качество стали.

Рис. 39. Схема кислородного конвертора:

1- глуходонный конвертор, 2 – фурма для вдувания кислорода, 3 – летка для слива

стали.

Шихтовые материалы для конверторной плавки – передельный чугун и

стальной скрап (до25 – 30% от массы чугуна), шлакообразующие (в

основном известь, 5 – 8% от массы плавки, а также боксит), раскислители –

марганец, кремний, алюминий. Благодаря основной футеровке конвертора

при плавке используют основной флюс – известь – для отшлакования и

удаления из стали вредных примесей – серы и фосфора в

виде соединений

СаS

и (СаО)

×Р

, уходящих в шлак.

Окисление углерода и других элементов при продувке происходит за

счет кислорода, растворенного в жидком металле и шлаке при продувке,

газообразного кислорода, образующейся в ходе выплавки закиси железа FеО.

Раскисление стали – завершающая операция при всех способах ее

выплавки. Выплавка стали из чугуна и скрапа является окислительным про-

цессом,

поэтому в конце плавки сталь неизбежно содержит растворенный

кислород, ухудшающий прочность и особенно пластичность стали. Для

уменьшения содержания кислорода до допускаемых норм производят

раскисление стали.

Сталь раскисляют марганцем (ферромарганцем), кремнием

(ферросилицием) и алюминием. Наиболее слабый раскислитель – марганец;

более сильный раскислитель – кремний. Еще более высокое сродство к

кислороду имеет алюминий. По

степени раскисления все стали (не только

кислородно – конверторные) подразделяют на кипящие, спокойные и

полуспокойные.

Кипящая сталь - наименее раскисленная – получается при раскислении

только одним ферромарганцем. В такой стали реакция [С]+[O]=СО не

заканчивается, жидкий металл продолжает «кипеть» из-за выделяющихся

пузырей окиси углерода СО.

Эти пузыри остаются в большом количестве в

теле слитка и устраняются

лишь при последующей горячей прокатке. Кипящая сталь наиболее дешевая:

при производстве получается наибольший выход годного металла (95 –

100%). Из-за отсутствия кремния и алюминия (их оксиды, особенно SiO

охрупчивают сталь) кипящая сталь хорошо штампуется, поддается глубокой

вытяжке даже при комнатной температуре.

Спокойная сталь – наиболее раскисленная получается в результате

последовательного раскисления металла ферромарганцем, ферросилицием и

алюминием. После введения всех трех раскислителей выделение пузырей СО

прекращается и жидкая сталь «успокаивается». Эта сталь – наиболее

качественная, но и наиболее дорогая. В верхней

части слитка образуется

усадочная раковина (внутренняя пустота), вокруг которой в прилегающих

зонах наблюдается усадочная рыхлость (мелкие поры), поэтому верхнюю

часть слитка ~1/3 от высоты приходится отрезать и направлять в переплав.

Выход годного металла не превышает 85 – 90%. Кроме того, присутствие в

стали двуоксида кремния SiO

снижает пластичность, поэтому спокойные

стали плохо штампуются.

Полуспокойная сталь получается в результате раскисления

ферромарганцем и алюминием (иногда допускается введение в жидкую сталь

уменьшенного количества ферросилиция). По качеству и по стоимости такая

сталь занимает промежуточное место между спокойной и кипящей сталью.

Выход годного металла при данном способе раскисления составляет 90 –

95%.

Готовую сталь

разливают в изложницы для получения стальных слитков

или на специальных установках непрерывной разливки стали.