Особенности термической обработки

 

Высокая эффективность термической обработки применительно к отливкам из легированных специальных чугунов делает её неотъемлемой частью всего технологического цикла изготовления изделий. Улучшение, нормализация, изотермическая закалка занимают преобладающее место среди других видов термической обработки легированных чугунов.

Основными параметрами указанных видов термической обработки являются температура аустенизации, продолжительность выдержки и условия охлаждения.

Легирующие элементы, входящие в состав чугуна, изменяют положение критических точек. Это вносит коррективы для назначения режима термической обработки.

Положение критических точек чугунов зависит как от их химического состава, так и от исходной микроструктуры отливок (табл. 1.6). Для чугунов регулятором литой структуры являются не только условия охлаждения отливок, но и содержание в них основных и легирующих элементов. Кроме того, на критический интервал фазообразования чугуна одного и того же состава существенное влияние оказывает соотношение в литой структуре феррита и перлита.

При промышленных условиях нагрева (скорость нагрева менее 200 °C/ч) увеличение в исходной структуре чугуна ферритной составляющей приводит к повышению температуры точек ии расширению критического интервала (рис. 1.9).

Поэтому относительно кратковременные выдержки, принятые оптимальными в производственных условиях ( исходя из условий производительности) при температурах аустенизации (2-3 часа), не позволяет достигнуть фазового и концентрационного равновесия в чугунах с различной исходной структурой. Причиной этого является снижение скорости науглероживания аустенита при переходе в него углерода из графита, а также вследствие образования зазора между графитом и твёрдым раствором. При одном и том же химическом составе увеличение доли феррита в исходной структуре чугунов является свидетельством роста количества высокоуглеродистой фазы в виде графита. Особенно это важно для чугунов, легированных элементами – графитизаторами (Al, Si, Ni, Cu).

 

Таблица 1.6

Влияние легирующих элементов на положение критических точек диаграммы Fe-C

Элементы в количестве 1,0 %	Критические точки диаграммы Fe-C
C и C’	E и E’	S и S’
Δt, °C	ΔC, %	Δt, °C	ΔC, %	Δt, °C	ΔC, %
Al	+8	-0,1	+8	+0,08	+10	-0,02
Si	+5	-0,3	+5	-0,1	+20-30	0,1-0,15
Mn	-2	-0,015	-2	-	-20	0,05
P	-35	-0,3	-35	-0,1	+	+
S
Ni	+	-0,04	+	-0,05	-30	-0,08
Cr	+4	-0,07	+4	-0,05	+8	-0,05
Cu					-10	-

Δt и ΔC – изменения температуры и содержания C.

 

Рис. 1.9. Влияние соотношения феррита и перлита в структуре чугуна на положение критических точек при нагреве (скорость нагрева 200 °C/ч)

 

Таким образом, условия нагрева отливок должны регулироваться так, чтобы сопутствующие главной цели процессы вторичной графитизации были сведены к минимуму. В известной степени это достигается загрузкой отливок в нагревательные печи, имеющие температуру в рабочем пространстве, близкую к заданной. Но при этом есть опасность появления термических трещин за счёт фазовых превращений, особенно для отливок из средне- и высоколегированных чугунов. Например, при термической обработке отливок из высокохромистых чугунов (Cr ≥ 8 %) посадка их в печь должна происходить при температуре не выше 300-400 °C. При более высокой температуре могут появиться трещины.

Длительная выдержка при аустенизации обеспечивает не только выравнивание температуры по сечению отливки, но и характеризует достижение фазового равновесия. В течение этого времени происходит гомогенизация твёрдого раствора по содержанию в нём различных элементов (но не полная). Однако, даже после 20-30 ч выдержки можно обнаружить неоднородность аустенита. Особенно это характерно для чугунов, легированных Si, Al, Cr, Mn. По возрастающей способности к неоднородности аустенита элементы можно расположить в следующий ряд:

Ni → Cu → Mn → Cr → Si → Nb → Al.

Условия охлаждения отливок с температур аустенизации подбираются при термической обработке в соответствии с требованиями к их микроструктуре и свойствам. Важное значение при этом имеют диаграммы изотермического распада переохлаждённого аустенита легированных чугунов. В общем случае С-образные кривые серых чугунов свидетельствуют о наличии двух минимумов устойчивости аустенита при 600 - 650 и 350 - 400 °C (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Диаграмма изотермического превращения аустенита
в доэвтектическом сером чугуне: 1 – начало распада, 2 – конец распада

 

Максимум устойчивости аустенита находится при 450 - 500 °C и характеризуется большой длительностью инкубационного периода. Примерно при этих же температурах изотермическое превращение аустенита имеет склонность к затуханию при достижении определённой степени распада (зона особой устойчивости аустенита). Эти характерные особенности С-образной кривой серого чугуна являются отражением влияния повышенных концентраций Si, Mn, S, P.

Положение кривых на С-образной диаграмме определяется как исходной микроструктурой чугуна, так и его химическим составом. Так, крупные включения графита и наличие в исходной структуре больших количеств феррита не позволяет при температурах закалки достигнуть необходимого насыщения (до 0,6-0,7 % C) аустенита углеродом. В результате этого аустенит оказывается менее устойчивым и начало его распада в изотермических условиях сдвигается влево, т. е. в сторону меньших значений инкубационного периода (рис. 1.11). При проведении же закалки в целях улучшения прокаливаемости необходимо стремиться к повышению устойчивости аустенита.

Рис. 1.11. Диаграмма изотермического превращения аустенита в чугуне с шаровидным графитом: 1 - перлитный , 2 - ферритный чугун

На кинетику изотермического превращения аустенита в чугунах сильное влияние оказывают легирующие элементы Mn, Cr, Ni, Mo, V, Ti, Al, Cu, Mg, W и др. Причём как в отдельности, так и при комплексном легировании. Практически все элементы приводят к увеличению устойчивости аустенита и смещают С-образные кривые его распада вправо. Под влиянием легирующих элементов

расширяется температурный интервал, внутри которого наблюдается затухание изотермического распада аустенита (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Влияние Mo, Cu, Ni на диаграмму изотермического распада аустенита

 

Поэтому легирование чугунов даже небольшими количествами Mn, Ni, Cr, Mo, Cu, V приводит к резкому повышению их прокаливаемости.

Наиболее эффективными видами объёмной термической обработки легированных чугунов являются изотермическая закалка, нормализация, улучшение. Эти виды термической обработки позволяют получать вполне удовлетворительное сочетание характеристик прочности, вязкости для такого хрупкого материала, каким является чугун. Если же для отливок из легированных чугунов не предусмотрены упрочняющие виды термической обработки, то отливки необходимо подвергать отжигу для снятия литейных остаточных напряжений.