Термическая обработка чугунов (стр. 2 из 4)
1 Зуев В.М. Термическая обработка металлов. - М: “Высшая школа”, 1976, с.188.
2 Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста. – М:”Высшая школа”, 1986, с.112.
Для получения ковкого чугуна используют белый доэвтектический чугун (2,5 – 3,0 % С; 0,5 – 1,5 % Si; 0,3 – 1,0 % Mn; 0,08 – 0,2 % Р; неболее 0,12 % S), в котором при отжиге происходит распад цементита с образованием графита – графитизация белого чугуна.
Графитизацию при температурах выше критической можно представить следующим образом:
Цементит аустенит и графит.Процесс графитиззации начинается с возникновения графитных центров, которые наиболее легко зарождаются в местах нарушения сплошности – в закалочных и деформационных микротрещинах, усадочных микропорах. При появлении в белом чугуне центров графитизации нарушается равновесие между аустенитом и цементитом и в соответствии с диаграммой железоуглеродистых сплавов (линии ES, E’S’) возникает перепад концентрации углерода на границах раздела фаз: аустенит – графит и аустенит – цементит. В возникающей системе из трёх фаз – аустенита, графита и цементита аустенит не может одновременно находиться в равновесии с цементитом и графитом. Так как система стремится к равновесию из аустенита, который пересыщен в слое, прилегающем к графиту, будет выделяться избыток углерода и включения графита будут расти. Но при этом аустенит становится ненасыщенным в слое, который прилегает к цементиту, и происходит распад цементита и растворение углерода в аустените, что снова вызывает пересыщение аустенита в слое, который прилегает к графиту, и выделение из него избыточного углерода. Таким образом, распад цементита продолжается до полного его растворения в аустените, после чего между включениями графита и аустенита устанавливается равновесие. В результате такого распада образуется хлопьевидный графит (углерод отжига) , характерный для структуры ковкого чугуна.
В исходном состоянии белый доэвтектический чугун имеет структуру, которая состоит из перлита, вторичного и эвтектического цементита. При переходе через эвтектоидный интервал температур перлит превращается в аустенит, а при повышении температуры до 950-1000оС происходит распад цементита (эвтектического и вторичного) и образуется структура аустенит и графит. Этот процесс называют первой стадией графитизации.
Полной графитизации, то есть получения структуры, которая состоит из перлита и графита, можно достигнуть охлаждением чугуна;
1. в эвтектоидном интервале температур с такой скоростью, чтобы происходил прямой эвтектоидный распад аустенита на феррит и графит (А Ф + Г); 2. немного ниже эвтектоидного интервала температур с образованием из аустенита перлита [A П ( Ф + Ц )] с выдержкой при этой температуре для графитизации эвтектоидного цементита (Ц Ф + Г).И в том и в другом случае будет получаться структура феррит и графит; этот процесс называют второй стадией графитизации. Если вместо ферритного ковкого чугуна требуется, чтобы структура была перлитной или феррито-перлитной, то вторую стадию графитизации совсем не проводят или не доводят до конца и после первой стадии графитизации или частично проведённой второй стадии охлаждают на воздухе. В первом случае будет получаться структура перлит и графит, во втором – феррит, перлит и графит.
Для сокращения времени отжига белого чугуна применяют следующие методы:
модифицирование; предварительную закалку;
предварительную низкотемпературную выдержку.
Модифицирование – это введение в металлические расплавы модифика-торов1. Самым распространённым модификатором - элементом, применяемым для модифицирования чугуна, является аллюминий, добавляемый в небольшом количестве (0.01-0.02%).
Отжиг с предварительной закалкойзаключается в том, что белый чугун подвергают закалке с 900-950оС в воде или масле. При закалке, во время мартенситного превращения, образуются многочисленные микротрещины, в которых наиболее легко зарождаются центры графитизации.
Отжиг с предварительной низкотемпературной выдержкойзаключается в том, что белый чугун выдерживают в течении 6-ти -- 8-ми часов при температуре 350-400оС. Число центров графитизации увеличивается, и сокращается время отжига. Механизм влияния низкотемпературной выдержки ещё не установлен.
Если ковкому чугуну хотят придать одновременно повышенную прочность и пластичность, применяют сфероидизирующий отжиг, в результате которого получается структура зернистого перлита и графита. Используют белый чугун с повышенным содержанием марганца (около 1%). Марганец незначительно удлиняет первую стадию графитизации,но тормозит распад цементита во второй стадии, что позволяет дать выдержку, достаточную для превращения пластинчатого перлита в зернистый.
Получение чугуна с зернистым перлитом можно представить в виде следующих схем :
1.быстрое охлаждение после первой стадии графитизации до температуры несколько ниже 700-720оС и длительная выдержка при этой температуре;
2.быстрое охлаждение после первой стадии графитизации до температуры 20оС с последующим циклическим режимом - нагрев выше и охлаждение ниже температуры 700-720оС повторяют несколько раз.
Графитизирующий отжиг применяют также для устранения отбела отливок из серого чугуна, возникающего при литье в металлические формы, в связи с чем повышается хрупкость и резко снижается обрабатываемость. При проведении данного отжига отливки нагревают до 850-950оС в течение 2-х—3-х часов (первая стадия графитизации) и охлаждают на воздухе до температуры 20оС или проводят вторую стадию графитизации (от 2-х до 6-ти часов). Быстрый распад цементита объясняется повышенным содержанием в серых чугунах кремния (1.5-3%). В результате отжига устраняется отбел и структура становится перлитной,феррито-перлитной или ферритной.
Низкотемпературный отжиг применяют для снятия внутренних остаточных напряжений отливок серого чугуна. Данный отжиг проводят по следующему режиму: медленный нагрев отливок (30-180оС/ч) до 530-620оС, выдержка при этой температуре 1-4 часа (с момента нагрева до заданной температуры наиболее толстого сечения отливки) и медленное охлаждение вместе с печью со скоростью 10-30оС/ч до 250-400оС 2. В результате такого отжига внутренние остаточные напряжения уменьшаются на 80-85% и увеличивается количество феррита. Отжиг при более высоких температурах может вызвать графитизацию эвтектоидного цементита, снижение твердости и прочности чугуна.
____________
1. Большой энциклопедический словарь;Под редакцией Прохорова А.М.–
М: “Советская энциклопедия”, 1991, с. 823
2 Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста – М: ”Высшая школа”, 1986, с.112.
Нормализацию применяют для увеличения связанного углерода, повышения твердости, прочности и износостойкости серого, ковкого и высокопрочного чугунов. При нормализации чугун нагревают выше температур интервала превращения (850-950оС) и после выдержки в течение 0.5-3.0 часа, при которой должно произойти насыщение аустенита углеродом, охлаждают на воздухе1.
Растворение графита в Y-фазе является важным процессом при нормализации (а также и при закалке) чугуна с ферритной или феррито-перлитной структурой. Этот процесс подобен цементации стали; разница в том, что при цементации происходит насыщение поверхностного слоя стальной детали углеродом из внешней среды, а при нагреве чугунной отливки «карбюризатором» являются многочисленные включения графита, расположенные в металлической основе, и насыщение углеродом происходит во всём объёме отливки. На растворение углерода в аустените чугунной отливки влияет температура: с повышением температуры нагрева растворимость углерода в Y-фазе резко увеличивается. В результате нормализации чугуна с исходной структурой основной массы феррит или феррит и перлит получается структура перлита или сорбитообразного перлита с повышенной твердостью и прочностью.
Перлитные чугуны не нормализуют, так как повышение степени дисперсности продуктов распада аустенита существенно не влияет на механические свойства.
При закалке чугуна превращения аналогичны превращениям, происходящим при закалке стали. Но в связи с наличием в чугуне включений графита закалка чугунов имеет следующие особенности.