Газопламенная закалка

Газопламенная закалка – это наиболее простой технологический процесс поверхностной закалки, применяем при индивидуальном производстве, в ремонтных работах и для повышения закалки больших поверхностей.

Нагрев осуществляется пламенем горелки ^оС. Горючий газ – О₂ + ацетилен, реже пиролизный газ или природный газ (2000^оС).

Для нагрева используются обычные сварочные горелки со специальными насадками. Они имеют щелевую или многопламенную насадку.

Технология газопламенной закалки может осуществляться различными способами:

• стационарно закреплена горелка и мимо нее движущие изделия;

• стационарно закреплены изделия и мимо движущая горелка;

• одновременное движение(вращение изделия);

За горелкой на расстоянии от 10 до 25 мм расположено охлаждающее устройство, жестко закрепленное с горелкой. Охлаждающая среда чаще всего вода.

Нагрев повышается газовым пламенем до 1000 – 1300^оС. Глубина нагрева 1 – 10 мм. Твердость после такой закалки соответствует твердости при объемной закалке. Такую закалку возможно автоматизировать, имеются станки.

Недостатки

• очень трудно регулировать температуру закалки (отсюда возможность перегрева).

• Необходимость регулирования толщины закаленного слоя.

Поверхностная закалка в электропечах

При этой закалке изделия погружают в ванную, наполненную электролитом (натриевая или калиевая щелочи). Изделия подключают к отрицательному источнику тока (К), а ванная будет анодом. При прохождении тока через К, будет выделяться Водород, вокруг изделия образовывается газовая рубашка. Электросопротивление растет, изделие нагревается.

По достижению необходимой температуры, ток отключается и закалку можно проводить в той же ванне.

Этот метод используется для местной закалки. Любая поверхностная закалка требует последующего низкого отпуска.

Термическая обработка чугунов

Термической обработке подвергаются все виды чугунов: белые, серые, литейные, ковкие, высокопрочные.

В отличие от стали, при ТО чугунов часто требуется протекание специальных процессов:

1. Распад Ц и увеличение количества свободного Сорбита;

2. Растворение свободного Сорбита и увеличение количества связанного Сорбита.

К ТО чугунов относится:

• Отжиг

• Нормализация

• Закалка

• Отпуск

Так как фазовый состав чугунов не отличается от фазового состава стали, процессы ТО подобны, но осложнены присутствием третьей фазы – графита (Г).

Термическая обработка белого чугуна

Белый чугун (БЧ) подвергается графитизирующему отжигу или отжигу на ковкий чугун. Не смотря на то, что чугуны сложные сплавы (Мn ,Si, Fe, C), тем не менее все превращения, протекающие при отжиге БЧ, описываются стабильной или метастабильной диаграммами Fe – С, Fe – Fe₃C. Цементит (Ц) – это метастабильное соединение, его свободная энергия больше энергии С. По этому при создании соответственных термодинамических условий, Ц будет превращаться в более устойчивые С и А.

Отжиг БЧ проходит при температурах, близких к эвтектическим (950^о – 1050^оС). Начинают образовываться зародыши С. Эти зародыши появляются либо на границе Ц – А, либо вдали от Ц.

Графит Г) имеет удельный объем в 3,5 раза больше, чем А. Зародыш Г прежде всего образовывается на свободных поверхностях, а именно на скоплениях вакансий, усадочных, диффузионных и газовых пористостях, на микротрещинах на границе раздела, неметаллических фазах. При возникновении зародыша Г, вокруг него образовывается малоуглеродистый А.

На границе А – Ц сохраняется концентрация С в А соответственно точке b,в А образуется градиент концентраций.

Градиент концентраций С вызывает протекание выравнивающей диффузии. Концентрация А выравнивается, и это вызывает нарушение равновесия на обеих межфазных границах. На границе А – Ц концентрация С и А занижена. Для ее восстановления происходит растворение Ц.

На границе А – Г концентрация С в А завышена против равновесного. Для ее восстановления, избыточный С выделяется на графитной подложке, т.е выделяются графитные включения. Соответственно в А опять возникает градиент концентраций. Процесс продолжается до полного исчезновения Ц.На границе А – Г восстанавливается равновесие. Это первая стадия графитизации.

В результате первой стадии графитизации, графитные включения получают компактную форму, называющуюся хлопьевидной. Она обеспечивает лучшие механические свойства, чем пластичная форма графита.

Лимитирующим процессом роста графитных включений, является отвод Fe от границы А – Г, Это наименее быстрый процесс. При повышении температуры, отвод Fe ускоряется. Но протекает преимущественно по границах зерен А.Соответственно графитные включения начинают ветвится, вырастая в сторону наиболее быстрого отвода Fe. Такая форма включений не обеспечивает хорошие механические свойства. Этим и объясняются ограничения верхней стадии графитизации (1050^оС), что бы графитные включения имели компактную форму.

После окончания первой стадии графитизации проходит медленное охлаждение до температуры 760^оС. В это время из А выделяется вторичный графит. Своей структуры он не образовывает, а выделяется на готовых графитных включениях. Эта стадия называется промежуточной графитизации.

После первых двух стадий графитизации структура чугуна – А и хлопьевидные включения графита.

Структура металлической основы чугуна формируется на второй стадии графитизации. Она протекает либо при медленном охлаждении от 750^о – 700^оС, либо при достаточно длительном выдерживании чуть ниже А₁ (700^о – 720^оС). При этих температурах возможно протекание эвтектоидной реакции по стабильным диаграммам :

А Ф+Г

Распад А на (Ф+Г) – смесь может протекать двумя способами :

1. Нормальный распад;

2. Абнормальный распад;

Нормальный процесс распада А протекает в том случае, когда все фазы(А, Ф, Г) соприкасаются. В этом случае на границе с А – Ф концентрация С в А соответствует точке d. На границе А – Г – точке c. В А получается градиент концентрации. В результате выравненое диффузионное равновесие на междуфазной границе нарушается, на границе А – Г получается избыток С. Для восстановления равновесия С выделяется на графитных включениях на границе А – Ф. Образуется недостаток С. Это способствует протеканию  превращение. Образовывается Ферит (Ф), т.е диффузионные процессы протекают в  - фазе.

Абнормальный распад начинается в тот момент, когда Г полностью окружен Ф, т.е границы с а у него нет. В этом случае на границе Ф – А концентрация С в Ф соответствует точке f, на границе Ф – Г – соответствует точке е. Перераспад С протекает в Ф – фазе. Избыток С выделяется в виде Г. На границе А – Ф недостаток С вызывает  превращение.

При необходимости вторую стадию графитизации не проводят.

Схема графитизирующего отжига БЧ

Эту схему выражают в координатах Т – τ

Графитизирующий отжиг БЧ чрезвычайно длительная процедура, поэтому требует защитные атмосферы, чтобы не было окисления и обезуглероживания. Отжиг БЧ является наиболее дорогой операцией при изготовлении изделий, Поэтому применяются различные методы сокращения времени отжига. Для получения ковкого чугуна используют БЧ определенного состава. Содержание С колеблется от 2,2 – 3,1%, Si 0,5 – 1,5%,Mn 0,3 – 1,0%,P 0,02 – 0,06%, S 0,002 – 0,45%,Cr 0,07%.

Для уменьшения времени отжига БЧ используют такие методы:

1. Применение модифицированного чугуна.

В качестве модификатора чаще всего применяют Al( реже Ti, Nb, Zr)

2. Предварительная закалка с температур 850 – 950^оС.

После закалки образуется высокоуглеродистый мартенсит (М) на стыках игл, которые образовывают микротрещины. Они могут стать основой для зарождения графитных зародышей. Нагрев под графитизирующий отжиг сопровождается выделением дисперсных графитов. В результате все стадии графитизации сокращаются по времени приблизительно вдвое.

3. Предварительная выдержка в течении нагрева в интервале 350 – 400^оС или 500 – 600^оС.Время сокращается на 20 – 30%.