Способ термической обработки отливок из серого чугуна

Способ термической обработки отливок из серого чугуна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОЁМБОТКИ ОТЛИВОК ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА, преимущественно с пластинчатым графитом , включающий нагрев со скоростью 280-350с/ч до 980-1050С, выдержку и охлаждение, отличающийс я тем, что, с целью повышения однородности прочностных свойств по сечению отливок путем гомогенизации структуры металлической основы чугуна , охлаждение производят со скоростью до надкритических температур, далее н воздухе. 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что выдержку осуществляют в-течение 15-18 мин на каждые 5 мм сечения, но не менее 50-60 мин. 3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение со скоростью 5-35 С/с ведут до 700760с .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РЕСПУБЛИН аЕ а11 ш С 21 D 5/00

ОПИСАНИЯ HSOEPETEHHR

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДелАм изОБРетений и ОтнРытий (21) 3435344/22-02 (22) .14.05.82 (46) 07. 11.84. Бюл. Ф 41! (72) В.А. Ильинский, Л.В. Костылева, Л.В. Юдина, В.В. Боева и С.M. Песковский (53) 621, 785. 369: 669. 131. 7 (088. 8) (56) 1. Новиков И.И. Теория терми-. ческой обработки металлов. M., ."Металлургия", 1978, с. 164.

2. Бунин К.П. и др. Основы металлографии чугуна. N.; Металлургия

1969, с. 401.

3. Там же, с. 401-402.

4. Авторское свидетельство СССР

Ф 697576, кл. С 21 D 5/00, 1978. (54)(57) 1. СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОТЛИВОК ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА, \ преимущественно с пластинчатым графитом, включающий нагрев со скоростью

280"350 С/ч до 980-1050 С, выдержку и охлаждение, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения однородности прочностных свойств по сечению отливок путем гомогенизации структуры металлической основы чугуна, охлаждение производят со скоростью 5-35 С/с до надкрнтических о температур, далее на воздухе.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а— ю шийся тем, что выдержку осуществляют в .течение 15-18 мнн на каждые 5 мм сечения, но не менее

50-60 мин. Э

3. Сгособ по п, 1, о т л и ч аю шийся тем, что охлаждение о со скоростью 5-35 C/с ведут до 700760оС.

1 11227 I . Изобретение относится к термической обработке изделий из серого чугуна и может найти применение в термических цехах машиностроительных предприятий. 5

Известен способ упрочняющей термической обработки чугуна„ включаю щий нагрев до 850-950 С, выдержку

0 5-3 ч и охлаждение на воздухе или в в воздушной струе (1) .

Однако известный способ эффективен для серых чугунов с благоприятной формой графита, в особенности для высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. Для серых чугунов с 15 пластинчатым графитом, действующим как внутренние надрезы в матрице чугуна, он не находит широкого применения.

В технических серых чугунах основ-20 ным упрочняющим элементом является углерод, от гомогенного распределения которого зависит и уровень механических -свойств, поэтому задача сводится к получению .с помощью термической обрвботки перлитной структуры с высокой однородностью и дис. переностью перлита.

В литых чугунах обычной термической обработкой получить однородный перлит не удается, так как избирательная кристаллизация металла приводит к дендритной ликвации элементов химического состава, а также к формированию зон, неоднородных ло активнос35 ти углерода и его концентрации в аустените.

Неоднородный по содержанию углерода аустенит при перлитном превращении фиксирует и неоднородный, ориентированный вдоль дендритных кристаллов первичной структуры перлит.

В более благоприятных случаях перлитное превращение фиксирует неоднородный по дисперсности перлит, причем всегда (териодииамическое свойство) в зоне первичных аустенитных дендритов перлит менее дисперсный, со значительными расстояниями между пластинками цементита.

Так как расстояние между пластинками цементита B перлите связано обратной квадратичной зависимостью со свойствами, то оси дендритов пред.ставляют собой наименее прочные объе-55 мы металла, превосходящие в то же время по своим размерам все составляющие микро- и макроструктуры, поэтому неоднородность структуры металлической основы: в чугуне оказывает отрицательное влияние на свойства и, напротив, гомогенизация перлита способствует повышению свойств.

Известен способ термической обработки для повышения механических свойств чугуна, заключающийся в закалке деталей до температуры нагрева

850 С и отпуске f2) .

Усредненная твердость закаленной на безыгольчатый мартенсит структуры с учетом влияния графитовых включений обычно не превышает HRC 44-50, но детали сложной формы, как правило, покрываются закалочными трещинами.

Известен способ термической обработки для упрочнения чугуна, в основном с шаровидным графитом, включаю,щий нагрев до 850 С, охлаждение в изотермической ванне при 250-400оС и последующее охлаждение на воздухе (3) .

В конечной структуре изотермически обработанных отливок присутствует бейнит, остаточный аустенит и мартенсит. Твердость и прочность такого чугуна вышее, чем у нормализованного или улучшенного, но обрабатываемость неудовлетворительная.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ термической обработки отливок из серого ферритного чугуна, включающий многократные нагревы в защитной среде выше конца эвтектоидного превращеК ния А на 50-200 С со скоростью оС1

6-10 С/мин, выдержку 10-18 мин, охлаждение до 650 С со скоростью

30-35 С/мин, затем на воздухе P).

Известный способ применяется для термообработки ферритного серого чугуна и влияет на форму и размеры графитных включений, за счет чего повышается предел прочности при растяжении, однако не обеспечивает повышения гомогенности перлита и однородности механических свойств по сечению отливки, так как ферритизирует металлическую основу серого перлитного чугуна.

Цель изобретения — повышение однородности прочностных свойств по сечению отливок путем гомогенизации

1122714

3 структуры металлической основы чу— гуна.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу термической обработки отливок из серого чугуна, преимущественно с пластинчатым графитом, включающему нагрев со скоростью 280 †3 С/ч до 980-1050 С, выдержку и охлаждение, охлаждение производят со скоростью 5-35 С/с до 1р о надкритических температур, далее на воздухе.

При этом выдержку осуществляют в течение 15-18 мин на каждые 5 мм сечения но не менее 50-60 мин.

У о

Охлаждение со скоростью 5-35 С/с ведут до 700-760 С.

Сущность обработки заключается в реализации эвтектоидного превращения сильно пересьпценного углеродом 20 аустенита.

Равновесная концентрация углерода в аустените даже при неблагоприятных параметрах дендритной ликвации элементов при 980-1050 С составляет б около 1,0 в зоне первичных дендритов и более 1,6 в зоне эвтектики.

При этом насыщение аустенита углеродом происходит путем растворения наиболее тонких и пространственно развитых выделений графита, т.е. сопровождается некоторым повышением компактности графитовых включений.

Резким охлаждением от температуры аустенизации до надкритических темпе 5 ратур аустенит чугуна переводится в перенасыщенное по углероду состояние во всех ликвационных зонах. Последующий распад сильно переохлажденного твердого раствора происходит по 4О перлитному механизму без заметного диффузионного перераспределения углерода и предварительного выделения избыточных фаз. В результате превращения аустенита образуется квазиэвтек- 4 тоид, который полностью маскирует структуру дендритной кристаллизации.

Кроме того, дополнительным фактором, способствующим выравниванию концентрации связанного углерода, явля- 5О ется термодинамически более выгодная кристаллизация избыточного углерода в форме графита в эвтектике на уже имеющихся графитовых включениях. В первичных дендритных кристаллах гра- 5> фита нет и весь избыточный углерод выделяется только в виде цементита, входящего в состав квазиэвтектоида.

Таким образом, содержание связанного углерода в дендритных осях сильно возрастает, а в эвтектике почти не изменяется и гомогенность структуры перекристаллизации повышается.

Поскольку прочность зависит не только от количества связанного угле рода, но и от расстояния между пластинками цементита, для повышения ее необходимо добиваться возможно большей дисперсности квазиэвтектоида.

Дисперсность перлитных структур определяется степенью переохлаждения аустенита к моменту перлитного превращения ° При переохлаждении аустенита менее чем на 70 С образуется перлит с расстоянием между пластинками цементита 0,5-1,0 мкм и твердостью НВ 170-230, если степень переохлаждения составляет 70-130 С, продуктом перлитного превращения будет сорбит с межпластинчатым расстоянием 0,4-0,2 мкм и твердостью НВ 230330. Более глубокое переохлаждение до температур наименьшей устойчивости аустенита приводит к образованию троостита с еще более высокой твердостью.

Обработка предложенным способом предполагает резкое охлаждение до температур не ниже температуры конк ца эвтектоидного превращения (А„,), т.е. не ниже 700 С, чтобы избежать о структур закалки.

Поскольку чугун — литой материал, имеющий различный состав и свойства в элементах структуры кристаллизации,. необходимо рассматривать превращение в каждой из ликвационных зон в соответствии с содержанием в них связанного углерода.

Для более бедных углеродом дендритных осей превращение аустенита может характеризоваться меньшими скоростями охлаждения, а для междендритных пространств — эвтектикиблизкими к максимально достижимым ско-. ростям переохлаждения в воде.

Повышение температуры переохлаждения выше 760 C не дает положительо ного эффекта, так как чугун будет находиться в аустенитном состоянии при повь1шенной температуре в течение времени, достаточного для диффузионного перераспределения углерода.

Скорость охлаждения от температуры аустенизации до начала перлитнаго

1122714

30 превращения должна тормозить выделение избыточных фаэ, обеднение твердого раствора углеродом и соответЪ о ствовать 5-35 С/с. Охлаждение со скоростью менее 5 С/с приводит к об- 5

О разованию гетерогенной структуры, состоящей из карбида и грубопластинчатого перлита, охлаждение со скоростью более 35 С с способствует образованию структуры троостосорбита. 10

Охлаждение отливок от 700-760 С следует проводить на воздухе, так как слишком быстрое охлаждение может привести к значительному повышению твердости и внутренних напряжений, что затрудняет обрабатываемость и вызывает опасность образования трещин в фасонных отливках.

Пример. Отливки из серого чугуна, содержащего, X: С 3,34;

Si 1,74, Nn 0,41; Cr 0,13; Ni 0,06;

S 0,,04, подвергают термической. обработке с варьированием температуры регламентиройанного охлаждения (700760 С) и скорости охлаждения 5-35 С/с 25

Испытания выполняют при нижних, средних и верхних значениях режимов (температура и скорость охлаждения), а также при значениях, выходящих за граничные величины.

Режимы термической обработки, характеристика получаемой структуры и твердость чугуна приведены в табл. 1.

Иэ чугуна указанного состава отли-З5 вают ступенчатые пробы с толщинами

10, 20, 50 мм, длиной 280 мм и ши- . риной 100 мм, которые обрабатывают предложенным и известным способами.

Из каждой степени вырезают по три 40 образца и после механических испытаний из них готовят металлографические шлифы для исследования однородности металлической основы, дисперсности перлита и характера графита. 45

Влияние однородности микроструктуры на прочностные характеристики и износостойкость при абразивном истирании изучают после различных режимов термической обработки на машине 50 трения Х4-Б.

Результаты прочностных испытаний образцов из каждой ступени экспериментальных отливок приведены в табл. 2, 55

Как видно иэ табл. 2, после термоциклической обработки известным способом разница в прочностных свойствах металла в различных сечениях экспериментальной отливки достигает больших величин, чем при обработке предлагаемым способом.

Термообработка известным способом приводит к существенному разбросу прочности в толстостенных сечениях за счет практически полной ферритизации матрицы, предлагаемым способом — к существенному выравниванию прочностных свойств.

Металлографические исследования показывают, что при обработке известным способом заметное изменение графитовых включений наблюдается только в сечении отливки толщиной

10 мм. В остальных сечениях графит мало изменяется, а металлическая основа имеет большое количество феррита. Как следствие, неоднородность прочностных свойств довольно значительна. В образцах чугуна, термообработанных предлагаемым способом, прочностные свойства замено выравниваются путем перлитизации массивных сечений, в основном в зонах первичных дендритов.

В соответствии с различиями микроструктуры сравнительные испытания на износ чугуна всех трех вариантов на машине Х4-Б показывают различные результаты.

Данные испытаний на износ (средние значения по трем образцам) приведены в табл. 3.

Износостойкость образцов, обработанных известным способом, меньше, чем образцов, обработанных предлагаемым способом, вследствие ферритизации металлической основы, особенно в сечениях толщиной 10 мм.

Предложенный способ термической обработки чугунных отливок позволяет избежать коробления и трещин, так как интенсивное принудительное охлаждение осуществляется только в области пластического состояния материала, когда возникающие напряжения сразу же релаксируют, а перекристаллизация У - и переход материала в область упругого состояния происходят при умеренных скоростях охлаждения и не сопровождаются опасным ростом остаточных напряжений.

Предлагаемый способ может быть использован не только для повышения

1122714

Таблица 1

Микротвердость, Структура металлической основы кгс/мм (средние значения) Режимы

Темпера- СкороСть, тура ОС ОС/с ендрит Междуветвие

700

Перлит сорбитообразный высокой гомогенности

306

308

319

308

730

330

319

760

650

Троостосорбит, структура гомогенная

402

409

800

Карбиды + грубопластинчатый перлит, структура гетерогенная

330

208

Таблица 2

Предел прочности при разрыве, кгс/мм

2 в сечениях толщиной, мм

Способ термообработки!

20 10

15,7

20,4

11,7

Известный

17,7

20,1

16,8

Предлагаемый прочностных. характеристик отливок из серого чугуна. Применение его, например, для неэакаливаемых гильз цилиндров, втулок направляющих и некоторых деталей из антифрикционного 5 чугуна, т.е. деталей, к поверхностям трения которых предъявляются высокие требования по однородности перлита, позволит существенно увеличить их служебные характеристики.

Внедрение изобретения для улучшения структуры поверхностей трения на одних только втулках направляющих дизельных двигателей позволит получить экономический эффект, превышающий 300 тыс.руб. в год.

Кроме того, можно получать одно,родные перлитные структуры в широком диапазоне химических составов и чугунных отливок.

1122714

Таблица 3

Удельный износ, мг, в сечениях толщиной, мм

50 20 10

Способ термообработки

Известный

Предлагаемый

Составитель И.Липгарт

Редактор А.Козориэ Техред А. Бабииец Корректор Е.Сирохман

Заказ 8102/24

Тираж 539 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035; Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

0,0471

0,0331

0,0450

0,0310

0,428

0,0284