книги / Термоциклическая обработка сталей и чугунов

ния, не происходит и существенного увеличения ударной вяз­ кости, практически не снижается критическая температура по­ рога хладноломкости. Только гомогенизирующий отжиг устра­ няет ликвацию растворенных в феррите элементов. Но гомо­ генизация, выравнивая содержание кремния и других элемен­ тов в металлической (ферритной) основе ‘высокопрочного чу­ гуна, мало снижает содержание кремния вокруг глобул гра­ фита, что не позволяет сделать эти участки хладостойкими. После гомогенизации содержание кремния в феррите на гра­ нице с графитными включениями равно общему содержанию кремния в химическом составе чугуна, т. е. около 3%. Но та­ кое содержание кремния даже в стали делает ее хладнолом­ кой при комнатных температурах. На чугуне это сказывается сильнее, так как он имеет много графитных включений— свое­ образных микроконцентраторов напряжений.

В отливках может быть два -вида ликваций химических эле­ ментов. Это так называемая зональная, охватывающая всю отливку в целом, и местная (локальная), ограниченная очень малым объемом, вплоть до отдельного зерна ил*и его части. Зональная ликвация в чугуне формируется при кристаллиза­ ции расплава [21—24], и при этом главной причиной циркуля­ ции жидкой фазы и формирования зональной ликвации явля­ ется разность температур Д/ .между осевой и поверхностной зонами отливки, а также разность концентраций в жидкой фазе Д|I. Разность температур, как известно, вызвана отводом теплоты от поверхности отливки, а разность концентраций эле­ ментов появляется потому, что в соответствии с диаграммой состояния при разных температурах существуют разные по химическому составу жидкие фазы. Действие Д/ и Др в про­ цессе кристаллизации приводит к тому, что например, в высо­ копрочном чугуне углерода и кремния больше в центре отлив­

ляции жидкой фазы. Однако полностью условия для формиро­ вания ликвации -не исчезают. Главной причиной ликвации яв­ ляется Д/. Поэтому, в силу разной растворимости элементов при различных температурах в твердой фазе железа, раство­ ренные в феррите элементы под действием М диффундируют

82

таллу. Включения же графита, имея большую теплоемкость и малую теплопроводность, в процессе -интенсивного охлажде­ ния сохраняют температуру значительно выше, чем темпера­ тура металлической основы чугуна. По этой причине возни­ кает перепад температур А? между ферритом, окружающим включения графита, и центральными зона-ми металла, распо­ ложенными между включениями графита. Кремний же, лучше растворяясь и феррите с увеличением температуры, под воз­ действием АI интенсивно диффундирует к включениям графи­ та, образуя местную ликвацию 51 в процессе охлаждения, от­ ливок (см. рис. 39 и 40). Такова физическая природа микроликвации кремния в литом высокопрочном чугуне.

Гомогенизирующий отжиг увеличивает ударную вязкость и снижает температуру порога хладноломкости, делая ее близ­ кой к 0°С. Поэтому можно предположить, что более значи­ тельное снижение процентного содержания кремния 'вблизи графитных -включений может существенно повысить ударную

держание кремния снизить до 1%, то повысится ударная вяз­ кость высокопрочного чугуна, а порог хладноломкости сме­ стится в область отрицательных температур и станет близким к Тьр стали. Иными словами, для повышения ударной вязко­ сти и существенного снижения критической температуры по­ рога хладноломкости, нужно иметь -в высокопрочном чугуне

цессе охлаждения, т. е. термическим способом, следовательно, достижение поставленной цели получения обратной микролик­ вации кремния в высокопрочном чугуне возможно обратными термодиффузионными процессами при термической обработке. Таким образом, разрабатываемая термообработка ВЧ должна быть построена на эффекте вынужденной термодиффузшг кремния под действием противоположного охлаждению гради­ ента температур. Если прямая ликвации создается в процессе охлаждения, обратную можно получить нагревом. Нагрев, более интенсивный, чем охлаждение, мог бы привести к об­ ратной микроликвации 51 в ВЧ. Но измененную (обратную) микроликвацию 51 в ВЧ необходимо иметь не в горячем, а в холодном состоянии, точнее при комнатных температурах. Поэтому если нагрев и охлаждение делать с преобладанием эффекта термодиффузии при нагреве, то это должно изменить микроликвацию кремния в ВЧ в нужном направлении и таким образом можно получить при комнатной температуре обратную микроликвацию кремния.

При обратной микроликвации кремния графитные включе­ ния в чугуне будут иметь пластичную «оболочку», состоящую

8 3

из низкокрвмнистого феррита. Зарождение магистральной тре­ щины разрушения и распространение ее будет сопровождаться большей затратой энергии (работы) на разрушение пластич­ ных зон металла, окаймляющих графитные включения. При этом ударная вязкость ВЧ значительно повысится. Достиже­ ние поставленной цели (получение обратной микроликвации кремния в ВЧ) возможно с помощью 'соответствующей терми­ ческой обработки, в которой термодиффузия при нагреве из­ делий была бы большей, чем при последующем охлаждении. В этом заключается основа методики разработки новых спосо­ бов термической обработки высокопрочного чугуна.

На основании опытов по изучению тер-модиффузии крем­ ния в феррите, проведенных на трансформаторном железе и

модиффузиен при охлаждении, а самодиффузия (диффузия при постоянной температуре) не имеет существенного значе­ ния, поэтому при термообработке быстрое охлаждение отли­ вок следует производить сразу же после нагрева, т. е. не про­ изводя выдержки при постоянной температуре. В этом заклю­ чается качественное отличие термообработок, преследующих цель получения обратной микроликвации кремния в ВЧ.

Таким образом, основными параметрами термической об­ работки в нашем случае являются необходимая скорость на­ грева изделий, правильная температура их нагрева и высокая скорость охлаждения. Скорость нагрева должна быть доста­ точной для создания градиента температур в металле между графитными -включениями, способного .вызвать термодиффу­ зию. Для ВЧ 45-5 скорость нагрева должна быть не ниже 30—40°С/мин. Максимальная температура нагрева ВЧ не дол­

может произойти .неполная закалка, что снизит вязкость и пла­ стичность изделия. Кроме того, быстрая перекристаллизация всегда сопровождается возникновением значительных внутрен­ них (фазовых) ~напряжений, что также отрицательно сказы­ вается на механических свойствах материала.

Скорость охлаждения должна быть .выше скорости нагре­ ва. Практически охлаждение можно производить в воде, ма­ сле или на воздухе. Назначенце быстрого охлаждения заклю­ чается 1В том, чтобы зафиксировать те изменения, которые про­ исходят при нагреве термообрабатываемых изделий из ВЧ. По­ этому чем выше скорость охлаждения, тем больше сохраня­

34

ется остаточный эффект от термодиффузии при нагреве. Что­ бы получить обратную м'икроликвацию кремния в ВЧ, одного

ваемый в микрообъемах ВЧ нагревом, как правило, меньше, чем прямой, получающийся при охлаждении отливок. Чтобы сформировалась явно выраженная обратная микроликвация кремния, необходимо производить многократно соответствую­ щие нагревы и охлаждения высокопрочного чугуна. Так как максимальная температура нагрева ВЧ в данном случае дол­ жна быть ниже температуры точки Ась такая циклическая об­ работка называется низкотемпературным термоциклнрованнем.

§ 2. Способ низкотемпературной ТЦО высокопрочного чугуна

Способ низкотемпературной ТЦО высокопрочного чугуна с шаровидным графитом для получения обратной микролнивации кремния в структуре чугуна состоит в следующем [77]. Образцы или изделия из ВЧ, имеющие после литья перлитно­ ферритную структуру металлической основы, 8—10 раз под­ вергаются быстрому нагреву с цнаг>30—40°С/мин до темпера­ тур на 30—50°С ниже температуры Лс1 с последующим ох­ лаждением в воде или масле.

Для нахождения оптимального числа нагревов, необходи­ мых при термоциклировании литого ВЧ 45-5, определялась зависимость ударной вязкости ненадрезанных образцов а* и твердости по Бринеллю (НВ) от числа термоциклов (рис. 41).

Микроструктурный анализ высокопрочного чугуна, под­ вергнутого восьмикратному термоциклированию, показывает, что количество перлита в металлической основе чугуна оста­ ется прежним. Но существенные изменения претерпевает мн-

кремния в ВЧ, произведенное на рентгеновском микроанали­ заторе подтверждает, что при термоциклировании кремний диффундирует от включений графита в центральные зоны ме­ талла (рис. 43).

* В работе проводились ударные испытания в соответствии с ГОСТом как на гладких образцах, так н на образцах с надрезами. Поэтому в даль­ нейшем ударную вязкость, определенную на образцах с надрезом, будем обо­ значать а„, а на образцах без надреза а.

83

83

ного надреза образца а3. Ниже приведены ар и а3 Дж/см1- (кгсм/см2), определенные по А. П. Гуляеву [37], а также а3;м-

Таким образом, экспериментальные данные показали, что увеличение ударной вязкости при термоциклировании действи­ тельно -происходит за счет увеличения работы зарождения трещин. После термоциклирования особенно большая доля об­ щей работы разрушения образцов идет на образование тре­ щин до появления магистральной трещины разрушения. Это обстоятельство делает материал конструктивно более проч­ ным, так как после возникновения магистральной трещины о конструктивной прочности речи идти не может, а та работа распространения магистральной трещины, которая свойствен­ на чугуну, не спасает изделия от окончательного разрушения.

превышающие предела прочности. Так как з конструкциях и деталях машин напряжения, как правило, значительно ниже предела прочности при кратковременном разрушении, а кон­ структивная прочность изделий сохраняется до появления ма­

ударных нагрузках, так как ар всегда мала. Если по а3.м оце­ нивать термоциклированный ВЧ 45-5 в сравнении со сталью 25Л, видно, что чугун после новой термообработки способен хорошо сопротивляться появлению магистральной трещины разрушения.

Стандартные испытания по определению предела прочно­ сти на изгиб (стпзг) показали, что с увеличением диаметра об­ разцов эффект относительного упрочнения от термоциклированйя ВЧ 45-5 повышается. Так, при разрушении изгибом чу­ гунные образцы диаметром 10 мм в литом состоянии и послетермоциклирования показали практически одинаковую проч­ ность: сгизг = (1170-М200)МПа = (117-И20) кгс/мм2. Однако при испытании образцов из ВЧ 45-5 диаметром 30 мм резуль­ таты были такими: чугун в литом состоянии (без термической обработки) стизг = 900 МПа = 90 дгс/м2, а после НТЦО (Упзг== Ц00 МПа = 110 кгс/мм2. Экспериментальные данные ис­

8 9 -

Предел выносливости (0 - 1) стандартных образцов из тер­ мически не обработанного ВЧ 45-5 и прошедших низкотемпе­ ратурную термоциклическую обработку повышается в резуль­ тате НТЦО на 55% — с 180 до 280 МПа, т. е. с 18 до 28 кгс/мм2. Обнаруженный эффект увеличения а_| на неболь­ ших образцах (диаметр 8 м.м ) необходимо было проверить на образцах значительно больших размеров. С этой целью уста-

•образцов.

Под условной выносливостью понимается величина напря­ жения, определяемая точкой пересечения кривой усталости с ординатой, соответствующей 3,5 • 106 циклов нагружений. Уста­ новлено, что 0 —1уел литого ВЧ 45-5, равная 90 МПа, увеличи­ вается в результате НТЦО до 230 МПа, т. е. возрастает с 9 до 23 кгс/мм2. Так было обнаружено, что НТЦО исследуемого чугуна не только повышает его выносливость (усталостную прочность), но и существенно ослабляет влияние масштабного фактора: уменьшает снижение прочностных характеристик, в частности о-\ и оизг» в связи с увеличением размеров испыты­

имени М. И. Калинина [43]. Циклические растягивающие на­ пряжения в разрывных образцах диаметром 8 мм создавались с периодом 6—12 с. Базовым числом нагружений образцов бы­ ло принято 5000. Значения пределов малоцикловой усталост­

клирования 450 МПа — 42 и 45 кгс/мм2 соответственно.

Итак, улучшение комплекса механических свойств ВЧ 45-5 после НТЦО приводит к увеличению его конструктивной проч-

90