книги / Термоциклическая обработка сталей и чугунов

мости. Разработанный способ низкотемпературной термоциклической обработки ВЧ рекомендуется вместо гомогенизирующе­ го отжига во всех случаях, когда необходимо «повысить конст­

§4. Графитизирующий отжиг и низкотемпературная

тц о

Если получение обратной микроликвацни кремния в ВЧ, имеющем перлитно-ферритную основу, приводит к увеличению

Рис. 45. Зависимость а и НВ отожженного ВЧ от чис­ ла термоцнклов

ударной вязкости, пластичности и других механических свойств, то низкотемпературное термоциклирование отожжен­ ного ВЧ еще больше увеличивает «вязкость, пластичность и значительно снижает критическую температуру порога хладно­ ломкости.

Способ получения ферритной основы ВЧ и обратной микро­ ликвации кремния в структуре чугуна состоит из двух этапов: графитизирующего отжига на ферритную структуру металли­ ческой основы и Многократного быстрого печного нагрева из­ делий со скоростью не менее 30—40°С/мин до температур на 30—-50°С ниже температуры Лс| с последующим быстрым ох­ лаждением в воде, масле или на воздухе [79].

Для отожженного ВЧ 45-5 оптимальные свойства получа­ ются после соответствующего 4—6-кратного нагрева и охлаж­

дения. На рис. 45 приведена зависимость ударной вязкости

;

9.1

высокопрочном чугуне показали, что термоциклнрозание при­ водит к изменению прямой микроликвации кремния на обрат­ ную. На рис. 46 показано м*икрораспределение кремния в пло­ скости шлифа.

Металлографический анализ ликвации кремния в термоциклир01ванном после отжига ВЧ подтверждает, что термоци-

кремния. Это качественное различие в структурах, а следова­ тельно и свойствах, позволяет считать отжиг с последующим низкотемпературным термоциклированием самостоятельным способом термической обработки высокопрочного чугуна.

Получение обратной ликвации кремния при термоциклировании отожженного на феррит ВЧ должно сопровождаться уве­ личением затрат работы, необходимой до появления магист­ ральной трещины при разрушении материала. А это, в свою •очередь, должно способствовать повышению работоспособности БЧ, т. е. увеличению его конструктивной прочности.

§ 5. Влияние низкотемпературной ТЦО на механические свойства отожженного высокопрочного чугуна

После графитизирующего отжига на ферритную металли­

та с термоциклированием от температуры испытаний приве­ дены на рис. 48.

93

чения работы, затрачиваемой при разрушении до появления

угла пластического загиба образцов после термоциклирования отожженного на структуру ферритной основы ВЧ. Так, у об­

28 мм показали 950 и 1150 МПа, т. е. 95 и 115 кгс/мм2 соот­ ветственно. Значения а*000 даны в табл. 21.

Низкотемпературное термоциклирование после графитизи­ рующего отжига повышает предел 'выносливости сг_| с 240 до 270 МПа, т. е. с 24 до 27 кгс/мм2.

Испытания ВЧ 45-5 на малоцикловую усталостную проч­ ность показали, что у гладких цилиндрических образцов диа-

94

метром 8 мм из отожженного на ферритную основу высоко­ прочного чугуна а»щ = 440 МПа = 44 кгс/мм2. У таких же об­ разцов, .но дополнительно (подвергнутых шестикратному термоциклированию, аМц = 510 МПа = 51 кгс/мм2.

Влияние острого надреза на величину малоцикловой усталост.ной прочности соответствует общей закономерности — над­ рез снижает усталостную прочность. Однако ВЧ 45-5, отож­ женный на ферритную металлическую основу, снизил амц до 370 МПа, т. е. до 37 кгс/мм2, а ВЧ 45-5, подвергнутый шести­ кратному термоциклированню, имел аМц=460 МПа=46 кгс/мм2.

Кроме описанного выше, определялись работа разрушения динамическим разрывом образцов при различных температу­ рах, изменение твердости в зависимости от температуры ис­ пытаний и т. п. [107]. Во всех случаях отмечалось положи­ тельное влияние низкотемпературной термоциклической обра­ ботки на характеристики прочности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Способ термической обработки графитизирующим отжигом

венных условиях ожидается значительный экономический эф­ фект за счет снижения температуры и времени термической обработки, а также за счет получения более высоких механи­ ческих свойств материала. Кроме того, изделия из ВЧ, пред­ назначаемые для работы в климатических условиях Севера и резко континентального климата, целесообразно подвергать графитнзирующему отжигу с последующей низкотемператур­ ной термоциклическон обработкой, так как при этом наибо­ лее сильно снижается критическая температура порога хлад­ ноломкости.

95

новлена принципиальная возможность совмещения способов низкотемпературной ТЦО чугунов и среднетемпературной ТЦО сталей применительно к .высокопрочному чугуну. Такое «совмещение» двух способов ТЦО привело к созданию нового

цементита в перлите п «обратной» микроликвации кремния в

ем на .воздухе до температур на 30—50°С ниже температуры Лг1. Дальнейшее охлаждение необходимо производить уско­ ренно: в воде или масле [112]. Этот способ термической обра­

своем составе зернистый (сорбитообразный) перлит и обрат­ ную мнкроликвацию кремния. Микроструктура ВЧ в литом и после СТЦО состояниях показана на рис. 49. В процессе СТЦО в высокопрочном чугуне формируется структура, обыч­ но получаемая сфероидизирующим отжигом. Ударная вязкость в овязи с переводом пластинчатого перлита в зернистый у ВЧ

моциклирование высокопрочного чугуна ВЧ 80-3 с перлитной металлической основой увеличивает значение ударной вязко­

венно увеличиваются условный предел текучести, усталостная прочность и т. д. Данный способ среднетемпературной термо-

шения конструктивной прочности высокопрочного чугуна. Он содержит все преимущества низкотемпературного термоцикли-

Подробные исследования влияния СТЦО на механические свойства высокопрочного чугуна выполнены на ВЧ 50-2, при­ меняемом для отливок коленчатых валов автомобилей ГАЗ — Горьковского автомобильного завода [111, И]. Основные ре­ зультаты этих исследований приведены в § 2.

98

§ 2. Повышение конструктивной прочности чугунных коленчатых валов среднетемпературной термоциклической обработкой

Известно, что высокопрочный чугун с шаровидным гра­ фитом широко применяется в машиностроении и, в частно­ сти, в автомобиле- и тракторостроении. Так. 20—25 лет тому назад все коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания изготовлялись из кованой стали. В настоящее время значи­ тельное число коленчатых -валов судовых, стационарных, теп­ ловозных, автомобильных, комбайновых двигателей, а также компрессоров, насосов и прессов отливают из высокопрочного чугуна.

Коленчатый вал является наиболее нагруженной деталью всякого двигателя. Он работает при различных температурах. Возникающие в нем переменные по величине и знаку напря­ жения изгиба, кручения и среза имеют огромную частоту. Требования к материалу, предназначенному для изготовления коленчатых валов двигателей, особенно высоки еще и потому, что эта деталь является наиболее ответственной. Дальнейшее повышение конструктивной прочности -коленчатых валов — од­ на из важных задач машиностроения. Именно поэтому объек­ том исследования в данном случае был не только высокопроч­ ный чугун как конструктивный материал, но и конкретные из­ делия, изготавливаемые из него, — коленчатые валы.

Основной объем работ -по определению влияния СТЦО высокопрочного чугуна на его механические свойства выпол­ нен на ВЧ 50-2, выплавляемом на Горьковском автомобильном заводе. Заготовки в виде стержней длиной 300 мм и диамет­ ром 35 мм, из которых впоследствии изготавливались образцы для физико-механических испытаний, отливалась на Горьков­ ском автозаводе одновременно с отливкой коленчатых валов. Все испытания производились на двух сериях образцов и из­ делий: подвергнутых термообработке по принятому на заводе режиму и после СТЦО.

Для повышения износостойкости и упругости коленчатых валов применяют ВЧ перлитного типа, т. е. чугун, имеющий структуру перлитной основы и включения шаровидного гра­ фита. Однако перлит с пластинчатой формой цементита обла­ дает '-сравнительно малой пластичностью и усталостной проч­ ностью. Поэтому для повышения характеристик усталости, вязкости и пластичности осуществляют сфероидизацию цемен­ тита с -помощью традиционной термической обработки [51]. Сфероидизация цементита в перлите ВЧ производится вы­ держкой изделий при температурах 680—720°С. Продолжи­ тельность сферондизирующего отжига составляет 6—8 ч. Пос­ ле выдержки охлаждение производят на воздухе. Коленчатые валы из ВЧ со структурой зернистого перлита имеют повышен­

99

ные пластические свойства, достаточную твердость п повы­ шенные значения предела усталости. Однако чрезмерно боль­ шая длительность сфероидизирующей термообработки не дает возможности получить зернистого перлита по ©сему объему изделии, так как при этом происходит графитизация цемен­ тита. Чтобы не допустить графитизации, продолжительность сфероидизирующего отжига ограничивают, что часто не по­ зволяет получить сферическую форму всех зерен цементита— остается пластинчатый цемент. Поэтому необходим ускорен­ ный метод получения зернистого перлита в -структуре высоко­ прочного чугуна. Кроме того, нужна .и обратная микролнква-

с отбелом, они подвергаются высокотемпературной графнтизации первичногр цементита. Поэтому режим термической обра­ ботки литых .валов на заводе состоит из нагрева до 950°С, выдержки при 950°С © течение 8 ч, охлаждения на воздухе до температуры ниже 600°С, далее нагрев до 725°С -с выдержкой при этой температуре в течение 8 ч с последующим охлажде­ нием на воздухе. Термообработка по принятому на заводе режиму требует значительных затрат, малопроизводительна и вместе с тем приводит к недостаточно высоким механическим свойствам коленчатых валов. Замена же сфероидизирующего отжига .высокотемпературным термоцнклированием резко со­ кращает время термической обработки. При этом в структуре металлической основы ВЧ перлит становится зернистым, зерна металлической основы измельчаются, а микроликвация крем­ ния становится благоприятной для надежной работы коленча­ тых валов [77].

Такие структурные изменения приводят к повышению ха­ рактеристик пластичности и прочности. После пятикратного среднетемпературного термоциклировании предел прочности высокопрочного чугуна коленчатых .валов «Волги» при кратко­ временных испытаниях на разрыв увеличивается на 13—15% по сравнению с аналогичной ха;рактер истиной ВЧ, подвергну­ того отжигу по заводской технологии (вырезались образцы нз

СТЦО <7В = (780-4-790)МПа = (78-5-79) кгс/мм2. Термообработке и натурным испытаниям на прочность под­

вергались коленчатые валы «Волги» после заводской термиче­ ской обработки и средиетемпературного термоциклнровання.

100