книги / Термоциклическая обработка сталей и чугунов

Г Л А В А VIII

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЧУГУНА

§ 1. Способ высокотемпературной термоциклической обработки высокопрочного чугуна

В § 4 гл. VII было показано, что количество перлитной составляющей в металлической основе чугуна можно регули­ ровать температурой нагрева и временем выдержки при за­ данной температуре, а эффект насыщения аустенита углеро­ дом при упрочняющей нормализации приводит не только к уве­ личению показателей прочности, но и к снижению пластично­ сти. Для увеличения вязкости и пластичности после упрочня­ ющей нормализации рекомендовано проводить СТЦО. Однако последовательное проведение упрочняющей нормализации и среднетемпературной термоциклической обработки увеличива­ ет общее время термической обработки и требует проведения двух различных технологических операций, что вызывает до­ полнительные трудности в производственных условиях поточ­ ного производства. Поэтому целесообразно проводить насы­ щение углеродом металлической основы высокопрочного чугу­ на в .процессе термоциклирования. Для этого, очевидно, необ­ ходимо проводить нагревы при термоциклировании до темпе­ ратур выше ^Кр (см. рис. 50), при которых происходит интен­ сивная диффузия углерода в аустенит. Как правило, /,;р>Асз. Кроме того, для получения равномерного распределения угле­ рода в структуре металлической основы чугуна необходимо полное а-^у-преиращение.

В результате разработки нового способа ТЦО с увеличени­ ем перлитной составляющей в структуре -высокопрочного чу­ гуна сформулирован способ высокотемпературной (выше Лсз) термоциклической обработки [66]. Высокотемпературная тер­ моциклическая обработка (ВТЦО) ферритного или перлитноферритного высокопрочного чугуна состоит в многократных (5—8 раз) нагревах со скоростью более 30°С/мин до темпера­ тур на 50—200° С выше Лсз и охлаждениях вначале на воз­

111

духе до температур на 30—50°С ниже А п и далее в воде или масле. В результате проведения ВТЦО по описанному режиму высо.коп.:рочиый чугун приобретает чисто перлитную структуру со смешанным -пластинчато-зернистым цементитом, т. е. ВТЦО приводит к формированию сложного зернисто-пластинчатого перлита, содержащего округлые и пластинчатые включения цементита. Цементит пластинчатой формы образуется вследст­ вие того, что при охлаждении на воздухе с больших темпера­

точной продолжительностью процесса охлаждения, некоторой

часть углерода, выделение которого из аустенита не подготов­ лено действием 5Ю в переохлажденном аустените, не может сформировать пластинчатого цементита из-за быстрого охлаж­ дения с температур на 30—50°С ниже Аг\. Таковы основные причины формирования зернисто-пластинчатого перлита -в ме­ таллической основе высокопрочного чугуна при ВТЦО.

Микроструктурный анализ, выполненный с помощью све­ тового металлографического микроскопа, показал, что после ВТЦО цементит смешанной формы мелкодисперсеи, а микро­

комнатных температурах, тогда как обычные способы терми­ ческой обработки ведут к полному распаду аустенита. Это об­ стоятельство было подтверждено измерениями магнитных свойств, таких как: коэрцитивная сила, относительная остаточ­ ная намагниченность н начальная магнитная проницаемость.

§ 2. Влияние ВТЦО на механические свойства высокопрочного чугуна

Исследование проводилось на ВЧ 60-2. Было установлено, что пятикратное термоциклирование (/г0цт=5) является опти­ мальным. После ВТЦО ударная вязкость (а) возросла с 15 (литое состояние) до 25 Дж/см2, т. е. с 1,5 до 2,5 кгс*м/см2. Предел прочности на разрыв увеличился с 610 до 785 МПа (с 61,0 до 78,5 кгс/мм2). Относительное удлинение стало 5,2%

ющих нагрузках, были проведены соответствующие усталост­ ные испытания. Испытывались образцы как прошедшие тер­ мическую обработку по заводской технологии (отжиг), так и подвергнутые ВТЦО.

112

Результаты усталостных испытаний таковы:

ленчатых валов двигателей автомобилей ГАЗ-24. Эти испыта­ ния проводились вЦентральном научно-исследовательском дизельном институте на гидравлическом пульсаторе при зна-

/V,

МН’ /ч

Рис. 52. Усталостные кривые коленчатых валов после заводской термообработки (1)%СТЦО (2), ВТЦО (3)

попеременной изгибающей нагрузке отдельных коленчатых ва­ лов. Частота нагружений 10—12 Гц. Ца рис. 52 приведены кри­ вые усталости коленчатых валов, прошедших различную тер­ мическую обработку [16, 64].

При пересчете изгибающего момента Л1„зг на значения дей­ ствующих напряжений в переходной зоне от шейки вала к его щеке, где происходят разрушения, видно, что ТЦО сущест­ венно увеличивает усталостную прочность чугунных коленча­ тых валов. Так, у серийных валов (с заводской термообработ­

113

детельствуют о большой эффективности ТЦО вообще, С'ГЦО

иВТЦО в частности, в увеличении работоспособности

[15].

Высокопрочный чугун часто применяется для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах. Поэто­ му для оценки термической стойкости высокопрочного чугуна проводились испытания на термоусталость на специальной ис­ пытательной машине [72]. При испытаниях образцы диамет­ ром 4 мм электрическим током нагревали до 500°С (за 12 с) и охлаждали «а воздухе до 200°С (за 13 с). В процессе термоциклического воздействия (200^500°С) прикладывалась по­ стоянно действующая нагрузка. При различных напряжениях образцы выдерживали определенное число нагревов и охлаж­ дений и разрушались. На основании полученных данных стро­ ились кривые термоусталости и определялся предел термоуста­

цикловой термоусталостной прочности о ^ ф0 возрос до 130 МПа, т. е. до 13 кгс/мм2 [113]. Это свидетельствует о том, что ВТЦО повышает и термическую стойкость высокопрочного чугуна.

Выполненные испытания показали, что способ ВТЦО тоже увеличивает конструктивную прочность ВЧ. При этом дости­ гается увеличение главным образом характеристик прочности. Значения пластичности при ВТЦО возрастают меньше, чем при СТЦО. Следовательно, эти способы ТЦО применимы для деталей, работающих в разных условиях эксплуатации. Спо­ собы ВТЦО и СТЦО по применению к деталям из высокопроч­ ного чугуна не перекрывают друг друга. ВТЦО рекомендуется производить в тех случаях, когда изделия из высокопрочного чугуна испытывают большие статические и циклические нагрузки без ударных нагружений, т. е. в случае, когда неко­ торый запас пластичности необходим, но пластичность не пре­ допределяет работоспособность в условиях эксплуатации.

§ 3. Способ ВТЦО отбеленного и белого чугунов

Часто при отливке изделий из чугуна со структурно-сво­ бодным графитом (ВЧ, КЧ, СЧ) получается отбел. Если ох­ лаждение отливок происходит с большей скоростью, чем не­ которая критическая, будут получаться отливки с поверхност­ ным отбелом. При повышении скорости охлаждения увеличива­ ется и толщина отбеленного слоя. Отбеливаемоеть чугуна за­ висит также от условий выплавки и разливки чугуна (от тем­ пературы расплава перед разливкой и т. п.). Влияет па отбе-

114

ческая скорость отбеливания меньше, а отбеливаемость боль­ ше. Это обстоятельство приводит к* тому, что при определен­ ных скоростях охлаждения отливок может сформироваться внутренний (обратный) отбел. Отливка называется внутреннеотбеленной, если ее повархность имеет структуру Г+П , Г+ -г(П + Ф) или Г+Ф, а середина — структуру белого или поло­ винчатого чугуна. При некоторых средних скоростях охлаж­ дения отливок -в них может создаваться поверхностный и внутренний или частичный (половинчатый) поверхностный и внутренний отбелы. В этом случае поверхность и сердцевина, разделенные слоем со структурно-свободным графитом (Г), имеют структуру белого чугуна.

Во многих случаях как поверхностный, так и внутренний отбел является нежелательным. Для устранения отбела обы­ чно производят высокотемпературный графитизирующий от­ жиг. Температура нагрева 900—950°С. При столь большой температуре с течением времени медленно происходит графи-

меньшей свободной энергией фаз. Если графитпзация бескремннстого белого чугуна происходит медленно (поэтому этот про­ цесс и назван томлением), то при наличии кремния графнтизацня идет тем быстрее, чем больше кремния в сплаве. Поэтому для высокопрочного чугуна длительность выдержки при высоко­ температурном графитизирующем отжиге сокращена до 2—5 ч. Однако н для высокопрочного чугуна графитизирующий отжиг достаточно продолжителен. Необходимо сокращение длитель­ ности графитизирующей термообработки.

С этой целью для отбеленных чугунов, т. е. имеющих в структуре графит и металлическую основу со структурой бе­ лого чугуна, разработан способ ВТЦО. Он состоит из много­ кратных быстрых нагревов до температур полного а-^-у-пре- вращения и охлаждений (на воздухе) до температур на 50— 100°С ниже полного у->а-превращения. Охлаждение с послед­ него нагрева на воздухе.

115

880—900°С и охлаждение на воздухе до комнатных температур. Такой термоциклической обработке подвергался белый чугун, содержащий 2,5% С, 1,2% 51, 0,4% Мп, 0,12% Р, 0,07% 5, 0,012% Сг. Часть образцов из этой плавки отжигалась на пер­ литную структуру металлической основы чугуна. Отжиг (графптизирующего нормализацию) проводили при 900°С в течение 4 ч, охлаждение на воздухе. Результаты механических испыта­ ний образцов на разрыв при различных температурах приведе­ ны на рис. 53. Эксперименты показали, что ковкий чугун, полу­ ченный с помощью ВТЦО, более теплостоек н значительно ра­ ботоспособнее вследствие большей длительности процесса на­ копления повреждений в связи с повышенным запасом пластич­ ности. Этот вывод особенно важен для чугуиов, используемых для деталей, работающих при повышенных температурах.

Графитизнрующая ВТЦО технически легко осуществима (ис­ пользуется печной нагрев), не продолжительна и благоприятно сказывается на свойствах чугунов. Промышленное применение ВТЦО для графитпзации первичного цементита может дать экономию средств и повысит качество литых изделий из чу­ гуна.

§ 4. Способ последовательного проведения ВТЦО и СТЦО чугунов

Белые, отбеленные и половинчатые чугуны во многих случа­ ях целесообразно подвергать ВТЦО с целью графитпзации пер­

Такой способ термоциклнческой обработки можно назвать ТЦО с переменными параметрами. Изменяется в данном случае ма­ ксимальная температура нагрева.

Исследование по изучению влияния ТЦО с переменными параметрами проведено на высокопрочном чугуне Ленинград­ ского производственного объединения «Кировский завод» [114]. Обычно отливки из высокопрочного чугуна отжигают при тем­ пературе 950±10°С в течение 2—3 ч, охлаждают с печыо до 720±10°С, выдерживают при этой температуре 2—3 ч, затем охлаждают с печыо до 600°С и далее на воздухе. В результате графитизирующего отжига по указанному режиму детали трак­ тора К-701, отлитые из высокопрочного магниевого чугуна, (кронштейны, суппорт тормоза, водило, ступица и вставки) все-таки не имели чисто ферритной металлической основы. В структуре чугуна оставалось от 5 до 10% по объему первичного цементита в виде больших игл (рис. 54). Детали с такой микроструктурой имели пониженные механические свойства и поэтому обладали малой работоспособностью.

С целью устранения отмеченных недостатков разработан

1!8