книги / Термоциклическая обработка сталей и чугунов

лением указанных работ в СССР были опубликованы резуль­ таты подобных исследовании, выполненных зарубежными ав­ торами [120—126]. После 1966 года японскими специалистами были разработаны способы высокотемпературной термоциклн- ческ-ой обработки с быстрыми нагревами. В работе [123] реко­ мендована следующая термоциклическая обработка: 4 цик­ л а — нагрев до 815° С, охлаждение до комнатной температуры. Применительно к стали, содержащей 0,45—0,48% С и 0,71— 0,82% Мп, было показано положительное влияние быстрого нагрева на •величину аустенитного зерна и воздействие много­ кратных циклов термического воздействия, т. е. ТЦО на аусте­ низацию с получением сверхмелкозернистой структуры [124].

В работах советских и зарубежных авторов, исследовавших влияние высокотемпературной термоциклической обработки (ВТЦО) на структуру и свойства конструкционных сталей, от­ мечено, что ВТЦО дает сверхмелкое зерно в стали и соответ­ ствующее повышение комплекса механических свойств. Во­ просы кинетики структурных изменений при ЦЭТО достаточно подробно освещены в работах [55—62].

§ 2. Способы ЦЭТО с переменными параметрами

Установлено, что ЦЭТО позволяет не только повысить ме­ ханические свойства закаленной стали, но и применять ее для исправления грубых структур после прокатки и ковки [59]. В этом случае термоциклирование рекомендуется производить с различными скоростями, постепенно возрастающими от цикла к циклу. Термоциклическая обработка с переменной скоростью термического воздействия на материал легко осуществима при ЦЭТО и очень-сложна при других видах нагрева.

Рис. 38. Схемы ЦЭТО с переменными параметрами:

Известно несколько способов ЦЭТО с переменными пара­ метрами. Было изучено влияние циклической электротермооб­

71

работки на механические свойства и структурное состояние проволочных образцов из стали 40Х при переменных пара­ метрах ЦЭТО [56]. В первом случае (рис. 38а) при неизмен­ ной скорости нагрева уменьшалась температура нагрева от цикла к циклу. Во втором — режим ЦЭТО был с повышающи­ мися от цикла к циклу скоростями и температурами нагрева (рис. 38 6). Эксперименты проводились на отожженных образ­ цах диаметром 2,3 мм и длиной 300 мм. Нагревы осуществля­ лись пропусканием переменного электрического тока через об­ разец. Процесс термоциклирования осуществлялся <на автома­ тической установке с программным управлением. Нагрев и выдержка при обычной закалке с печным нагревом произво­

го сужения на 35%. Механические свойства улучшаются при понижении температуры нагрева во втором термоцикле. Спо­ соб ЦЭТО с переменными параметрами (схема б, табл. 15) предпочтительнее, так как позволяет достичь более высокого уровня механических свойств. Так было установлено, что одним из (направлений в совершенствовании ЦЭТО является разработка способов с переменными параметрами и изучение

ской обработки на структуру и свойства высоколегированных сталей исследовалось многими учеными. Представляет боль­ шой интерес способ ВТЦО с нагревом образцов токами высо­ кой частоты (ТВЧ) [87]. Нагрев производился на индукцион­

ботке заготовки перемещались вертикально с контролируемой скоростью и закаливались в воде. Нагрев при этих многократ­ ных закалках ТВЧ производился до температуры 777°С. По­

72

73

Т Л А В А VI

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЧУГУНА

§ 1. Физическая природа образования микроликвации кремния, охрупчивающей высокопрочный чугун. Основы низкотемпературной ТЦО

Высокопрочный чугун (ВЧ) с шаровидным графитом яв­ ляется одним из новых высококачественных конструкционных материалов. Относительно высокие характеристики механиче­ ских свойств, хорошие литейные, технологические и эксплуа­

дельных отраслях промышленности стальное литье с успехом заменяется чугунным. Достаточно сказать, что из высокопроч­ ного чугуна в СССР и за рубежом изготавливаются корпуса крупных дизелей, турбин, прокатных станов, металлообраба­ тывающих станков, компрессоров и т. д.; коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания для тракторов, грузовых и легковых автомобилей, автобусов, тепловозов, паровозов; пор­ шневые кольца, различная арматура, штампы, валки для чи­ стовой прокатки, втулки, шестерни, рычаги и многое другое. Это -говорит о том, что высокопрочный чугун успешно осваи­ вается промышленностью по мере повышения его механиче­

ских свойств.

Учитывая, что в строительных, дорожных, горных сельско­ хозяйственных и других машинах масса литых деталей состав­ ляет от 50 до 70% от общей массы машины, то даже не пол­ ный переход от стального литья к чугунному даст большой экономический эффект, так как детали и корпуса машин, от­

разности удельных весов. Удельная прочность высокопрочного

77

чугуна выше, чем у обычных литейных сталей, поэтому при­ менение его дает большой резерв конструкторам ло техниче­ скому совершенствованию машин и уменьшению их металло­

термической обработки серых чугунов и сталей. Однако такой качественно новый материал, каким является литейный высо­ копрочный чугун с шаровидным графитом, может максималь­ но выявить свои прочностные возможности только после соот­

научного исследования была разработка таких способов тер­ мической обработки высокопрочного чугуна, которые бы учи­ тывали специфику материала, его особенную внутреннюю при­ роду. Известно, что отрицательным фактором в характеристи­

статических нагружениях высокопрочный чугун проявляет хо­ рошую пластичность. Испытания при ударно-циклических на­ пряжениях, меньших предела прочности, показали, что высоко­ прочный чугун и при таких нагружениях сохраняет большую пластичность. Только при ударных испытаниях, когда прила­ гаемое напряжение больше предела прочности, высокопроч­ ный чугун хрупок и работа разрушения мала, в сравнении с работой разрушения таких же образцов из конструкционной стали. Поэтому, говоря о хрупкости высокопрочного чугуна, будем иметь в виду в основном ударную хрупкость, характе­ ризующуюся ударной вязкостью.

Основными способами термической обработки, повышаю­ щими ударную вязкость высокопрочного чугуна, являются в настоящее время графитизирующий и гомогенизирующий от­ жиги. При графитизирующем отжиге распад цементита и вы­ деление углерода в графитные зерна приводит к ферритной ме­

за счет уменьшения характеристик пределов временной проч­ ности, твердости и т. п. А снижение прочностных характери­ стик после графитизирующего отжига ограничивает возможно­ сти применения высокопрочного чугуна в технике. Графитнзирующий отжиг ВЧ очень мало повышает значения ударной

78

вязкости. Феррит высокопрочного чугуна более хрупок, чем феррит углеродистой стали, так как в нем, во-первых, много растворено элементов, охрупчивающих феррит, и во-'вторых, неблагоприятно распределены в структуре чугуна примесные элементы, растворенные в феррите.

Исследованиями процессов кристаллизации высокопрочного чугуна из расплава и формирования структур при дальнейшем охлаждении установлено, что примеси элементов -в основном сосредоточиваются в феррите около включений графита, упрочняя и охру«пчи.вая эти зоны [31, 45, 74]. Трещины разру­ шения зарождаются у глобул графита и распространяются от одних включений графита к другим. Очевидно, что указанная

51,% Мд,%

микроликвация примесных элементов резко повышает хруп­ кость чугуна.

Микрораспределение основных примесей в высокопрочном чугуне (кремния и магния) после литья хорошо исследовано. На рис. 39 приведены данные этих исследований. Наибольшая концентрация кремния наблюдается в участках феррита, окаймляющих включения шаровидного графита. Кремний сни­

ренных в феррите элементов. Следовательно, сильное охруп­ чивание феррита повышенной концентрацией кремния вблизи графитовых включений остается, а увеличение ударной вязко­ сти происходит только за счет распада цементита в зернах перлита, т. е. за счет превращения перлита в более пластичный феррит. Гомогенизирующий отжиг приводит к ферритной ос-

73

ново высокопрочного чугуна, при этом устраняется ликвация кремния и других элементов, выравниваетсяхимический со­ став в металлической основе чугуна. Это является причиной более значительного повышения пластичности и ударной вяз­ кости материала. Например, гомогенизирующий отжиг высо­ копрочного чугуна при температуре 1050°С в течение 10 ч по­ вышает значения ударной .вязкости до 100—150 Дж/см2, т. е. до 10—15 кгс»м/см2 [98, 112].

Исследования графитизирующего и гомогенизирующего от­ жигов выявили следующие их недостатки:

— графитизащш мало увеличивает пластичность и вязкость высокопрочного чугуна;

— большая длительность и высокая температура при гомо­ генизации делает этот способ термической обработки энерго­ емким и дорогим;

— увеличение вязкости и пластичности при отжигах сопро­ вождается большим снижением характеристик кратковремен­ ной и длительной прочности, твердости и т. п.

Микроликвация кремния в структуре литого высокопрочно­ го чугуна (см. рис. 39) является одной из основных причин не только большой хрупкости, но и высокой температуры порога хладноломкости. Повышенное содержание 51 (до 3—4%) в высокопрочном чугуне необходимо для получения в сплаве глобулярного графита. Поэтому снижение содержания 51 для

графит. Поэтому повышенное содержание 51 в феррите, приле­ гающем к графиту, сильно влияет на работу разрушения ма­ териала. Ударная вязкость резко снижается из-за повышенно­

Чтобы убедиться >в том, что ликвация кремния является од­ ной из причин высокой хрупкости н большой температуры

80