Влияние термической обработки на механические свойства чугуна

21.10.2019

Видоизменяя структуру матрицы, термическая обработка может оказать значительное влияние на механические свойства чугуна. Наименьшей эффективностью в этом отношении характеризуется низкотемпературный отжиг, проводимый и области 200—600° С с целью снятия напряжений. Структура чугуна в большинстве случаев при этом не изменяется, если температура процесса достаточно низка, и поэтому не изменяются обычно и механические свойства испытуемых образцов, хотя прочность и вязкость самих отливок в целом несомненно повышаются. Однако в некоторых случаях это повышение свойств отмечается и на образцах вследствие снятия микронапряжений или процессов превращении аустенита. Именно так дело обстоит при низкотемпературном отжиге (старении) белого чугуна и перлитного серого чугуна, выплавленного на большом количестве стального скрапа, где низкотемпературный отжиг вследствие снятия микронапряжений приводит к повышению не только прочности, но и пластичности и вязкости. Повышение свойств при подобной термической обработке наблюдается также в сером чугуне с игольчатой структурой. Так, 5-часовая выдержка при 320—370° С повышает предел прочности при растяжении этого чугуна с 50—57 до 62—74 кГ/мм2, что объясняется в данном случае уже не только снятием микронапряжений, но и превращениями остаточного аустенита. Естественно, что этот процесс протекает еще резче при старении аустенитного чугуна. Об этом свидетельствует повышение твердости с HB 160 до 415 в случае отжига при 500° С и до 418 и 340 в случае отжига при 600° и 700° С.

Небольшое повышение твердости (на HB 15—20) имеет место также при дисперсионном твердении (3—6 ч при 500° С) медистого чугуна, в особенности ферритного. Однако главное значение процессов старения — повышение свойств и долговечности всей отливки в целом, что тем более эффективно, чем сложнее конструкция отливки и выше марка чугуна.
Влияние термической обработки на механические свойства чугуна

Другим видом термической обработки, как раньше уже указывалось, является смягчение, имеющее целью уменьшение твердости и улучшение обрабатываемости. Вместе с тем одновременно происходят обычно понижение прочности и повышение пластичности и вязкости при практически неизменном модуле упругости (рис. 231). Этот процесс осуществляется путем низко- или высокотемпературного отжига, в первом случае при 600—750°, во втором случае — в области выше критической с последующим медленным охлаждением, и структурно определяется распадом или сфероидизацией карбидов. Длительность и эффективность процесса смягчения зависят от состава чугуна и температуры. При этом хром, ванадий и комплексное легирование замедляют процесс снижения твердости и прочности, в то время как присадка одного никеля, меди и даже небольшого количества молибдена не проявляются благоприятно (рис. 232 и табл. 29), несмотря на известное их антиферритизирующее действие.

К процессам смягчения относится также отжиг ковкого и высокопрочного чугуна. Такой отжиг позволяет получить наиболее высокие значения пластичности и вязкости и более низкий уровень порога хрупкости, хотя в некоторых случаях, как видно из рис. 233, он может быть еще больше понижен путем закалки и отпуска.

Однако при отжиге следует исключать развитие отпускной хрупкости, возможное при неблагоприятном составе металла и медленном охлаждении отливок или выдержке их в интервале 350— 550° С после окончания ферритизации. В результате такого процесса понижается ударная вязкость и повышается порог хрупкости (рис. 234), а в высокопрочном чугуне, кроме того, часто понижаются еще прочностные и пластические свойства, что является главной причиной вредного влияния кремния и фосфора. Устранение этого явления возможно путем флекто-процесса, т. е. быстрого охлаждения с интервала 650—700° С (рис. 234), при котором получается пересыщенный раствор с незагрязненными межзерновыми границами. Такой режим охлаждения, особенно с более высоких температур (690° С), повышает прочностные свойства даже не склонного к отпускной хрупкости низкокремнистого и низкофосфористого высокопрочного чугуна:

Небольшое же понижение пластичности и вязкости, образуемое при этом, может быть устранено отпуском при 250—300° С.

При всех процессах отжига свойства ферритизированных чугунов зависят в той или иной степени от эффективности гомогенизации и величины зерна феррита. Поэтому двухстадийный отжиг обеспечивает в высокопрочном чугуне более высокие свойства, чем одностадийный, в частности при этом повышается ударная вязкость и понижается порог хрупкости (рис. 235). Однако, выбирая температуру отжига, следует иметь в виду, что повышение ее, хотя и ускоряет и делает более совершенной гомогенизацию, вследствие чего исчезает феррит с искаженными границами зерен, но вместе с тем укрупняет зерно. Поэтому оптимальные свойства получаются при определенных значениях температуры и выдержки в зависимости от толщины отливки и состава металла. В большинстве случаев при обычных применениях на практике толщинах отливок влияние величины зерна настолько велико, что оптимальные свойства, в частности наиболее низкий порог хрупкости, получается, как показал Г. Гильберт, при низкой температуре отжига и длительной выдержке (рис. 236). То же подтверждено опытами на ковком чугуне, причем влияние более низкой температуры I стадии графитизации тем интенсивнее, чем выше содержание фосфора. Таким образом, более высокие температуры, а следовательно, и ускорение отжига ковкого чугуна возможны только при низком содержании фосфора. Отжиг высокопрочного чугуна с низким содержанием фосфора также рекомендуется иногда при высоких температурах (950° С), так как в этих условиях возможно полное исчезновение фосфидной эвтектики. Однако это имеет место, как показал М.В. Волошенко, только в тонкостенных отливках, в отливках же с тепловыми узлами происходит обратный процесс обособления фосфидной эвтектики.

В противоположность высокотемпературному отжигу нормализация проводится со сравнительно быстрым охлаждением в критическом интервале (на воздухе со скоростью 20—60 град/мин) и имеет целью повысить прочность и твердость чугуна. Следует напомнить, что в случае серого чугуна процесс этот применим только для высших марок, так как при высоком содержании углерода и кремния и наличии грубого графита нормализация вследствие графитизации и процессов окисления может не изменить или понизить твердость чугуна. Поэтому наибольшее применение нормализация получила для отливок из ковкого и высокопрочного чугуна. Оптимальной в этом случае является температура 820—950°С в зависимости от допустимого количества феррита и содержания кремния в металле, выдержка же составляет обычно 2—4 ч. Механические свойства чугуна могут измениться различным образом в зависимости от исходной структуры: при наличии свободных карбидов в чугуне твердость понижается, а пластичность, вязкость и прочность увеличиваются; при исходной перлитной структуре несколько повышаются показатели прочности и твердости, значительно увеличивается вязкость, пластичность же изменяется в малой степени; при исходной ферритной структуре прочность и твердость резко повышаются, а вязкость и пластичность так же резко уменьшаются (табл. 30).


Характерно, как видно из табл. 30, что нормализация наиболее интенсивно повышает предел текучести чугуна и не только по абсолютному, но и относительному значению, чему значительно способствует еще легирование никелем и марганцем. Кроме того, понижается порог хрупкости, если исходная структура является перлитной (рис. 235). Таким образом, нормализация приводит к заметному повышению качества отливок даже при сравнительно небольших изменениях предела прочности, однако в условиях знакопеременных нагрузок и в присутствии концентраторов напряжений нормализация особых улучшений не приносит. Как и в случае ферритизации, эффективность нормализации повышается при понижении температуры и соответствующем увеличении длительности процесса. В ряде случаев нормализация сопровождается отпуском. Варьируя температуру отпуска, можно значительно изменять соотношение между прочностными и пластическими свойствами (рис. 237).

Возможности нормализации все же ограничены, несмотря на то, что в случае применения самозакаливающихся легированных чугунов можно и при охлаждении на воздухе или даже в форме получить не только перлитные, но и бейнитные и мартенситные структуры, а следовательно, и высокие значения твердости, хотя, как видно из рис. 238, квазиизотропия при этом понижается. Нормализацию, следовательно, нужно рассматривать только как упрощенный и несовершенный вариант закалки и отпуска и изотермической закалки. Эти виды термообработки отличаются наиболее широкими возможностями в отношении получения разнообразных структур и свойств отливок, в особенности при чугунах высших марок, в первую очередь с компактным или шаровидным графитом, характеризующихся не только более высокой пластичностью, но и большей прокаливаемостью, как это видно, например, из рис. 239, по данным С.И. Витензон и Н.М. Гранкина.

Общий характер изменения механических свойств чугуна при закалке с отпуском и изотермической закалке по разным данным представлен на рис. 240. Видно, что при быстром охлаждении в процессе закалки и образовании мартенситных структур происходит резкое понижение прочностных, пластических, вязких (а также упругих) свойств чугунов. С повышением же до известного предела температуры последующего отпуска или температуры среды при изотермической закалке указанные свойства постепенно возрастают, достигают максимума (примерно при 300—400° С) и затем монотонно снижаются, твердость же и циклическая вязкость изменяются в обратном направлении. Абсолютные значения всех этих свойств зависят от формы и количества графита, а также от состава чугуна. Чем совершеннее форма графита и чем больше (в определенных пределах) содержание легирующих элементов в чугуне, тем выше не только абсолютные значения показателей механических свойств, но и относительная эффективность термической обработки. Поэтому наилучшие результаты получаются при термической обработке высокопрочного и ковкого чугунов. Эффективность же закалки и отпуска, а также изотермической обработки серого чугуна повышается с увеличением количества стального скрапа в шихте, а следовательно, с понижением содержания углерода и размельчением графита (рис. 240, а). Вместе с тем исходная структура матрицы не оказывает сколько-нибудь значительного влияния на результаты термической обработки улучшения, если только выдержка при аустенизации достаточна для получения равновесного насыщения. В противоположность этому условия аустенизации (температура, длительность выдержки) могут оказать весьма заметное влияние на результаты процесса. И действительно, как видно из рис. 241, повышение температуры аустенизации заметно увеличивает твердость и прочность чугуна за счет соответствующего понижения пластичности и вязкости, что объясняется образованием более углеродистого мартенсита и последующим увеличением количества выделяющихся карбидов. Следует учесть, что при превышении температуры аустенизации сверх определенного предела механические свойства чугуна понижаются, что является следствием процессов окисления, укрупнения структуры и увеличения количества остаточного аустенита.


Однако, как видно из рис. 241, порог хрупкости Tкр, зависящий не от этих факторов, а от состава чугуна и величины ферритного зерна, может оставаться неизменным при повышении температуры аустенизации (у чугуна с низким содержанием кремния и фосфора) или изменяться в ту или другую сторону (у чугуна с повышенным содержанием указанных элементов) в зависимости от скорости охлаждения после отпуска. При этом порог хрупкости в последнем случае повышается с увеличением температуры аустенизации при медленном охлаждении чугуна, при охлаждении же в воде с 650—700° С порог хрупкости с повышением температуры аустенизации сначала понижается вследствие лучшей гомогенизации, а потом остается без изменения. Некоторое влияние оказывает также длительность процесса аустенизации. Как показывают исследования, и эта функция имеет максимум, причем чем выше температура, тем меньше выдержка для достижения максимума твердости.

Из рис. 241 видно, что зависимость ударной вязкости от скорости охлаждения после отпуска (600° С) наблюдается только у чугуна с более высоким фосфором, что и определяет его склонность к отпускной хрупкости, которая, однако, не проявляется при низких температурах аустенизации (750—770° С) ни в отношении величины ударной вязкости, ни в отношении порога хрупкости. Это обстоятельство, как и более высокая пластичность такого чугуна, является причиной рекомендации закалки, в том числе изотермической, с нагревом до температуры внутри критического интервала (аустенито-ферритного состояния), которая пропагандируется А.А. Горшковым и М.В. Волощенко, а также зарубежными исследователями. В этом случае, например, при режиме изотермической закалки 830 —> 350° С основной структурой после закалки является феррит с равномерно распределенным трооститом. Чугун этот характеризуется большой устойчивостью против отпуска (до 500° С), небольшой твердостью, а следовательно, удовлетворительной обрабатываемостью и высокой прочностью и вязкостью:

Кроме того, чугун этот отличается также высокой усталостной прочностью даже по сравнению с термически улучшенной сталью:

Однако наиболее правильная оценка различных режимов термической обработки с точки зрения улучшения получается при сопоставлении механических свойств как функции твердости или какого-либо другого свойства. Такое сопоставление по данным Е. Рутковского сделано на рис. 242, который ясно иллюстрирует преимущества изотермической закалки, в том числе и с аустенито-ферритного состояния. Следует указать, что механические свойства при этой термической обработке, особенно закалке с аустенито-ферритного состояния, могут быть еще больше повышены легированием чугуна (0,2—0,3% никеля, меди или молибдена), что вследствие высокой прокаливаемости применимо для отливок сравнительно большой толщины:

При благоприятном составе чугуна, в частности при низком содержании фосфора, и надлежащей термической обработке можно получить и более высокие механические свойства. Так, например, по данным Р.Л. Снежного и др. максимальные свойства (ов = 125 кГ/мм2 при b = 3%) получились при изотермической накалке (950 —> 300° С). Примерно такую же прочность получил М.В. Волощенко после.закалки и отпуска с 350° С, а при легировании Si, Ni, Mo и Nb прочность чугуна после изотермической закалки достигла даже ов = 150/155 кГ/мм2 при b = 5 2/4%. Такие же высокие значения прочности приводятся иногда и в зарубежной литературе.

Значительным преимуществом процессов закалки и отпуска и изотермической обработки является, как видно из рис. 243, более низкий порог хрупкости, что обеспечивает вязкое состояние при возможных разрушениях в условиях пониженных температур.


Оcобый интерес и большое применение имеет поверхностная закалка (огневая или еще чаще токами высокой частоты), что дает возможность сочетать высокую поверхностную твердость, а следовательно, износостойкость с вязкой сердцевиной. С этой точки зрения, по-видимому, наибольший интерес имеет поверхностная закалка пластичных чугунов (ковкого, высокопрочного). Однако такая закалка ввиду больших скоростей нагрева (больше 25 град/сек) очень чувствительна к исходной структуре чугуна и практически применима только при небольшом количестве феррита: для высокопрочного чугуна — не более 30%, для серого — еще меньше, так как в противном случае вследствие медленного насыщения матрицы углеродом прогрев и закалка получаются слишком глубокими. Как видно из табл. 31, поверхностная твердость тем больше, чем выше температура и меньше скорость нагрева. Однако пользоваться такими параметрами для поверхностного нагрева ферритного чугуна невозможно, так как это приводит к слишком большой глубине закалки. Поэтому для поверхностной закалки ферритного чугуна разработаны особые режимы, например, двухкратный нагрев с охлаждением на воздухе и в воде. Первый этап процесса имеет целью насыщение аустенита наружного слоя отливки углеродом, а второй — закалку.

Характер распределения твердости по глубине отливок из серого и высокопрочного чугунов при исходной перлитной структуре представлен на рис. 244. При этом легирование (никелем, хромом и другими подобными элементами) повышает прокаливаемость, а следовательно, и глубину закалки. Кроме того, вследствие уменьшения скорости превращения в этом случае становится обычно возможно охлаждение на воздухе после поверхностного нагрева вместо охлаждения водой, что уменьшает опасность образования трещин. Таким образом, поверхностная закалка представляет весьма удобный и важный метод повышения износостойкости, не говоря уже о том, что при этом значительно повышается усталостная прочность, в особенности при наличии надреза. Об этом свидетельствуют, например, данные о пределе усталости чугуна ВЧ 50-1,5:


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