Процессы нормализации, закалки и отпуска чугуна

18.10.2019

Понижение стабильности, в том числе уменьшение степени графитизации или повышение дисперсности структуры, достигаемые при нормализации или закалке, возможны только при переходе в аустенитную или промежуточную области с последующим более или менее быстрым охлаждением. Это положение следует особо подчеркнуть, так как вне зависимости от скорости последующего остывания всякая выдержка чугуна в подкритической области приводит к повышению стабильности структуры: графитизации и дифференциации. Указанное хорошо иллюстрируется, например, следующими данными:

Количество связанного углерода (перлита) при выдержке в подкритической области снижается в простом чугуне резче, чем в легированном, так как распад карбидов в этом случае происходит соответственно быстрее. В надкритической области нарастание связанного углерода в легированном чугуне происходит интенсивнее, чем в простом.

Первым этапом процессов нормализации и закалки является, таким образом, нагрев отливок и некоторая выдержка в надкритической области для растворения углерода и получения насыщенного и более или менее однородного аустенита, хотя полная однородность вследствие наличия графита, фосфидов, карбидов никогда не достигается. Скорость растворения углерода является функцией температуры и структуры чугуна. Как видно, например, из рис. 148, исходная перлитная структура быстрее превращается в аустенитную, чем ферритная, что обусловлено большей скоростью растворения эвтектоидного цементита. Указанное особо заметно проявляется при быстро протекающих процессах, например при поверхностной закалке (огневой или токами высокой частоты). В этом случае перлитная структура исходного чугуна обеспечивает большую твердость при последующем охлаждении и поэтому предпочтительна. При достаточной же выдержке и полном насыщении аустенита углеродом, как это имеет место при объемной закалке, строение и свойства чугуна, получаемые при термической обработке, сравнительно мало зависят от исходной структуры матрицы (рис. 148).
Процессы нормализации, закалки и отпуска чугуна

Кроме металлической основы на скорость аустенизации влияние оказывает и форма графита. В этом отношении, как то следует из разных данных, быстрее всего растворяется углерод отжига, затем шаровидный графит и, наконец, пластинчатый графит (рис. 149). Однако скорость процесса зависит и от размеров графитных выделений: чем они крупнее, тем медленней происходит процесс их растворения.

Следует также учесть, что растворение графита в той или иной мере происходит уже при подъеме температуры, так что при достаточно медленном нагреве аустенизация может полностью произойти даже при отсутствии выдержки (рис. 149, б). Поэтому в реальных условиях длительность выдержки, особенно тонкостенных отливок, может быть значительно меньше, чем это указано, например, на рис. 149.

Еще большее влияние на скорость растворения углерода оказывает температура, с повышением которой аустенизация проходит быстрее (рис. 149). Особенно резко возрастает это влияние при переходе из критического интервала в аустенитную область, при дальнейшем же повышении температуры интенсивность ее влияния понижается. Это обстоятельство, как и вопросы качества чугуна, ограничивают обычно рекомендуемый температурный предел аустенизации 40—80 град над критическим интервалом. И, действительно, кроме окисления металла повышение температуры аустенизации, а следовательно, и увеличение содержания углерода в растворе приводит к снижению начала мартенситного превращения (рис. 150), что, в свою очередь, вызывает увеличение количества остаточного аустенита при закалке.

Вторым этапом процессов уменьшения стабильности структуры является остывание: при нормализации на воздухе, при закалке в масле и реже в воде, при изотермической закалке (чаще всего в солях). Все эти среды, как и толщина отливок, обусловливают различную скорость охлаждения и разные температуры превращения, что вместе со строением и составом исходного чугуна определяет его структуру после термической обработки, как об этом можно судить по диаграммам превращения аустенита. В общем, влияние элементов исходной структуры и скорости охлаждения в процессе термической обработки такое же, как указанное ранее при остывании после кристаллизации. По мере увеличения скорости охлаждения* и повышения содержания элементов, понижающих температуру и замедляющих процесс превращения, продукты распада аустенита размельчаются и при известном переохлаждении наступает мартенситное превращение (рис. 151). Поэтому отливки из легированного чугуна можно при прочих равных условиях медленнее охлаждать для получения структуры мартенсита или феррито-карбидной смеси той или иной дисперсности, что уменьшает опасность образования трещин. Наличие же грубого графита действует в обратном направлении, понижая устойчивость аустенита, а следовательно, и глубину проникновения мартенситиой зоны (прокаливаемость).

Простейшим видом термической обработки с целью уменьшения стабильности структуры является нормализация. Она применяется обычно для исправления структуры (уничтожения грубозернистого строения матрицы, неблагоприятного расположения феррита по графиту, получения перлитной структуры матрицы вместо ферритной или феррито-перлитной). Однако хорошие результаты получаются при этом только в случае тонкостенных отливок и при сравнительно небольших содержаниях углерода и кремния. При большой толщине отливок может произойти распад карбидов. Количество же феррита в структуре вследствие сравнительно медленного охлаждения увеличивается в тем большей степени, чем толще отливка (R) и больше содержание углерода и кремния, как это видно из следующих данных:

Точно так же и закалка чугунных отливок, по существу, применима только для сравнительно тонкостенных отливок, иначе не обеспечивается достаточно высокая прокаливаемость. При этом большое значение имеет состав металла.

Как видно из рис. 152, углерод уменьшает, а марганец, как и большинство других легирующих элементов (Cr, Ni, Mo, Cu и т. д.), увеличивает прокаливаемость чугуна, кремний же может оказывать в этом отношении разное влияние. При этом влияние углерода объясняется инициирующим воздействием графита и неоднородностью аустенита, создающегося в присутствии графита. Влияние марганца и большинства других легирующих элементов определяется повышением устойчивости аустенита, влияние же кремния двоякое: положительное как легирующего элемента и отрицательное как графитизатора. Форма графита также оказывает большое влияние на прокаливаемость чугуна: наибольшими значениями в этом отношении отличается чугун с шаровидным графитом, наименьшими — чугун с междендритным графитом. И.Н. Богачев объясняет это степенью неоднородности аустенита, возрастающей с увеличением поверхности графита.

Наиболее однородная по сечению структура получается при изотермической закалке. В этом случае в зависимости от температуры ванны и состава чугуна превращение аустенита происходит в той или иной степени с образованием феррито-карбидной, бейнитной или смешанной структуры. При этом процесс начинается всегда у графита (в местах меньшей концентрации углерода) и постепенно распространяется в глубь зерен аустенита. Наибольшее применение изотермическая обработка имеет для тонкостенных и сравнительно небольших отливок из высокопрочного чугуна, причем ее основное преимущество — уменьшение напряжений в отливках и отсутствие опасности образования трещин.

В противоположность этому при поверхностной закалке преднамеренно создается неоднородная структура по сечению с целью сочетания дисперсных структур на поверхности с дифференцированными (вязкими) в центре отливки (при этом мартенсит тоже получается неоднородным). Так, например, при огневой закалке распределение структур но сечению в зависимости от температуры нагрева и условий охлаждения характеризуется следующим образом:

При высокочастотной закалке, получающей все большее распространение, результаты термической обработки зависят от длительности процесса и частоты генератора: с увеличением длительности нагрева и с уменьшением частоты генератора глубина закалки увеличивается. Однако следует иметь в виду, что слишком большая глубина закалки приводит к расплавлению поверхностных слоев и к образованию ледебурита при последующем быстром охлаждении:

Применяемый, как правило, после объемной закалки высокий, средний или низкий отпуск (в зависимости от температуры, в пределах 200—650° С) имеет целью понизить или снять возникшие напряжения и несколько повысить стабильность структуры. При этом по мере повышения температуры отпуска происходят следующие процессы: распад а-раствора с образованием е-карбидов (FeхC) и отпущенного мартенсита (100—200° С); распад остаточного аустенита с образованием мартенсита (200—300° С); превращение е-карбида в цементит с образованием структуры бейнита и троостита (300—400°С); коалесценция и сфероидизация цементита, рекристаллизация феррита и снятие напряжений с образованием перлитных структур разной дисперсности (выше 400° С).

Легирующие элементы передвигают в ту или другую сторону температурные интервалы указанных превращений. Так, например, кремний, не изменяя интервала первого превращения, повышает третье превращение до 450° С. Точно так же и большинство других легирующих элементов повышает те или иные превращения при отпуске и при прочих равных условиях способствует получению более дисперсной структуры. На практике чугунные отливки в большинстве случаев подвергаются высокому отпуску в интервале 450—600° С.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна