Виды термической обработки чугуна

Термическая обработка чугуна

Отжиг при низкой температуре

Для устранения внутренних напряжений и восстановления заготовки из серого чугуна в размерах, используют естественное старение либо отжиг при низких температурах.

Метод естественного старения является непопулярным, поскольку он подразумевает продолжительное выдерживание металла после окончательного охлаждения, которое может составлять 3 – 5 месяцев, а в ряде случаев, и несколько лет. Такой подход определяется тогда, когда отсутствует необходимое оборудование для осуществления отжига.

В наши дни он почти не практикуется, вместо него применяют метод низкотемпературного отжига. Заключается он в том, что отливки после полного застывания складывают в охлажденную печь или в печь, разогретую до 100 – 200 градусов (°С). При этом проводят неспешный нагрев, набирая каждый час по 75 – 100 градусов, пока температура не достигнет 500 – 550 градусов.

После этого металл оставляется на 2 – 5 часа, после чего проводится остуживание до 200 градусов с понижением температуры каждый час на 30 – 50 градусов. Затем проводится охлаждение на открытом воздухе.

Графитизирующий метод отжига

Во время отливания изделий не исключено частичное отбеливание серого чугуна на внешней их части, а иногда затрагивается и все сечение. Для недопущения этого процесса и повышения показателей обрабатываемости чугуна, осуществляется графитизирующий отжиг при высокой температуре с удержанием его при 900 – 950 градусах на протяжении 1 – 4 часов. После следует остуживание до 250 – 300 градусов в печи и перенос процесса охлаждения на открытый воздух. Такой тип отжига позволяет цементиту в отбеленных зонах расщепиться на феррит и графит, после чего белый и чугун, состоящий из смеси переменных пропорций серого и белого, трансформируются в серый чугун.

Упрочняющая термическая обработка заготовок изделия

Такому процессу подвергаются заготовки, имеющие несложные формы с малыми сечениями. Упрочняющая термическая обработка осуществляется с поддержанием температуры 850 – 900 градусов и выдержкой на протяжении 1 – 3 часов. Вслед за этим следует проведение процесса остывания изделий на воздухе. Такие температуры ведут к расщеплению углерода и графита в аустените. В результате воздушного охлаждения основа из металла приобретает структуру трооститного перлита с чуть большей твердостью и улучшенными показателями устойчивости к износу. Процесс упрочнения для серого чугуна практически не используется, чаще прибегают к закалке с отпуском.

Чтобы увеличить прочностные характеристики серого чугуна, прибегают к закалке, производимой путем нагревания его до 850 – 900 градусов с последующим остуживанием в воде. Закалять можно перлитные и ферритные чугуны. Этот процесс позволяет получить твердость HB порядка 450 – 500. Изделия впоследствии приобретают структуру мартенсита с достаточным включением остаточного аустенита и графитового выделения. Отличным способом увеличения прочности и износостойкости серого чугуна считается изометрическая закалка, производимая по принципу закалки стали.

На чугунах высокой прочности, имеющих шаровидный графит, можно применять пламенную и высокочастотную поверхностную закалку. Изделия после данной обработки приобретают большую твердость поверхности, вязкую внутреннюю часть, что дает им возможность выдерживать значительные удары и истирания.

Легированные серые чугуны и магниевые чугуны высокой прочности время от времени подвергаются азотированию. Твердость поверхности после такого процесса составляет HV 600 – 800, при этом получается высокая износостойкость. Очень результативным является процесс сульфидирования чугуна. Кольцо поршня, к примеру, после данного воздействия быстро прирабатывается, не так быстро истирается, а время его эксплуатации может значительно возрастать.

Для устранения напряжений, полученных вследствие закалки, проводится отпуск. Детали, которые в будущем будут испытывать высокие нагрузки на износ, подвергаются отпуску при воздействии температуры 200 – 250 градусов. Над заготовками из чугуна, которые не будут предназначаться для работы при значительных трениях, проводится высокий отпуск при 500 – 600 градусах. Во время такого процесса, у чугунов, которые предварительно прошли закалку, твердость уменьшается не так сильно, как при отпуске сталей. Происходит это из-за того, что состав закаленного чугуна состоит из большого объема остаточного аустенита. Кроме того, влияет наличие немалой доли кремния, усиливающего отпускоустойчивость мартенсита.

Для получения мягкого чугуна применяют белый чугун с отжигом с приблизительным составом:
2,5 – 3,2 % — углерод (C); 0,6 – 0,9 % – кремний (Si); 0,3 – 0,4 % – марганец(Mn); 0,1 – 0,2 % — фосфор (P); 0,06 – 0,1 % – сера.

Выработано два метода отжига на мягкий чугун:

• графитизирующий отжиг при нейтральных условиях, заключающийся в расщеплении цементита на феррит и мелкие частицы графита;
• обезуглероживающий отжиг, сопутствующийся окислительными процессами, заключающийся в сжигании углерода.

Получение мягкого чугуна при помощи отжига с применением второго метода требует 5 – 6 суток, из-за чего применяется в основном метод графитизации. Заготовки, после удаления с них песка и фрагментов каналов для заполнения литейных форм, пакуются в металлическую тару или складываются на поддон, после чего проводится отжиг в методических, каменных и иных печах для отжига.

Отжиг заключается в проведении 2-х этапов графитизации. Первый состоит из ровного нагрева отливок до 950 – 1000 градусов с последующим выдерживанием на протяжении 10 – 25 часов, после чего температура снижается до 750 – 720 градусов по 70 – 100 градусов за час. Второй этап заключается в выдержке заготовок при 750 – 720 градусах в течение 15 – 30 часов, со следующим их остуживанием в печи до 500 – 400 градусов. При таких температурных показателях происходит перемещение их на воздух, где проходит окончательное охлаждение. Благодаря такой последовательности в пределах 950 – 1000 градусов происходит расщепление цементита. После проведения такого отжига структура мягкого чугуна приобретает форму зерен феррита с добавлениями гнезд из мелких частиц графита.

Для повышения вязкости, перлитный мягкий чугун подвергается сфероидизации. Для ускорения отжига на мягкий чугун, осуществляют закалку белого чугуна, а после – графитизацию.

Термическое воздействие на мягкий чугун

Для усиления прочностных характеристик и износостойкости, проводят нормализацию мягкого чугуна или закалку с последующим отпуском. Упрочняющая термическая обработка заключается в выдержке чугуна при 850 – 900 градусах на протяжении 1 – 1,5 часов, после чего проводится остуживание на открытом воздухе. Заготовки с увеличенной твердостью подвергаются высокому отпуску при 650 – 680 градусах с 1 – 2 часовым удержанием.

Бывают случаи, когда нужно проведение закалки чугуна для получения усиленной прочности и износостойкости в ущерб пластичности. Температуры применяются те же, что и в процессе нормализации, охлаждение происходит в воде или масле. Отпуск, исходя из потребностей в твердости, проводится чаще всего при 650 – 680 градусах. Ускоренное охлаждение осуществляется сразу вслед за первым этапом графитизации, когда показатели температуры доходят до 850 – 880 градусов, после чего проводится высокий отпуск. Для мягкого чугуна проводится закалка при помощи высокочастотных токов или кислородно-ацетиленовым пламенем. Закалка тормозных колодок по такому методу состоит из нагревания деталей высокочастотными токами до 1000 – 1100 градусов и удержанием на 1 – 2 минуты, после чего проводится ускоренное охлаждение. Строение закаленного слоя включает мартенсит и частицы графита HRC 56 – 60.

Мягкий чугун очень часто используется в машиностроении, различных промышленностях, в сельском хозяйстве и в иных отраслях. Из него делают детали станков. Такому чугуну отдается предпочтение благодаря тому, что он дешевле стали, при этом он имеет отличные механические характеристики и он очень устойчив к коррозии и износу.

Термическая обработка чугунных отливок

Термическая обработка чугунных отливок

Термообработку отливок из чугуна проводят для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров, снижения твёрдости и улучшения обрабатываемости, повышения механических свойств, а также износостойкости. Применяют следующие виды термообработки чугунных отливок.

Низкотемпературный отжиг применяют для снятия внутренних напряжений. Температуру отжига назначают в зависимости от химического состава чугуна. Отливки из серого чугуна обычно отжигают при 500-700ºС; из высокопрочного чугуна при 550-650ºС; из низколегированного чугуна при 570-600ºС, а из высоколегированного при 600-650ºС. Продолжительность выдержки отливок при температуре отжига зависит от размеров отливки и её конфигурации и обычно составляет 3-10 ч. Сложные отливки, отливки с большей разницей в толщинах стенки отжигают более длительное время. После отжига отливки охлаждают вместе с печью. Механические свойства отливок при такой термообработке практически не изменяются.

Графитизирующий отжиг применяют обычно при снижении твёрдости и улучшении обрабатываемости резанием. Отливки нагревают в печах до 680-750ºС. При этом происходит графитизация и частичная сфероидизация эвтектоидного цемента, что снижает твёрдость, улучшает обрабатываемость, но несколько уменьшает прочность чугуна.

Высокотемпературный отжиг отливок производят для графитизации первичных карбидов в отбеленном или половинчатом чугуне. Отливки нагревают до 900-960ºС, а затем медленно охлаждают до 300ºС. В отливках образуется перлитная структура, отличающаяся оптимальной твёрдостью и прочностью.

Нормализацию применяют для повышения механических свойств и износостойкости чугуна за счёт улучшения его структуры и получения перлитной металлической основы, а также для отливок, имеющих ферритную, ферритно-перлитную или ледебуритно-перлитную структуры. Отливки нагревают до 850-950ºС. При нормализации ферритного или ферритно-перлитного чугуна часть графита растворяется в аустените и за счёт этого количество связанного углерода увеличивается.

При нормализации отбеленного чугуна происходит графитизация первичных карбидов. В отливках после охлаждения на воздухе до температуры 500ºС образуется перлитная структура. Для снижения напряжений отливки ниже 500ºС охлаждают медленно, вместе с печью.

Закалку и отпуск применяют для отливок из серых, высокопрочных и ковких чугунов с целью повышения прочности, твёрдости и износостойкости. Отливки нагревают до 880-930ºС и охлаждают в масле. Структура отливок – мартенсит. Затем производят отпуск нагревом до 400-600ºС с последующим охлаждением.

Отпуск отливок, работающих на износ, производят при 250-300ºС. Отливки из чугуна с шаровидным графитом, работающие на износ, подвергают изотермической закалке.

Химико-термическую обработку применяют обычно для получения высокой поверхностной твёрдости отливок из чугуна с шаровидным графитом (втулок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, коленчатых валов). Наиболее часто применяют азотирование поверхностного слоя – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя азотом при нагреве в аммиаке. Температура азотирования 550-560ºС. Азотированию подвергают поверхности, обработанные резанием.

Отжиг для снятия напряжений чугунных отливок.

Детали: станина, редуктор, корпус задней бабки, передний бабки, крышка корпуса.

— Температура загрузки 200-230ºС.

— Скорость нагрева 170º/час.

— Температура выдержки 550-600º С.

— Продолжительность выдержки 2,5-3 часа.

— Продолжительность охлаждения – 6-8 часов скор. 75º/час.

— Выгрузка при температуре 150ºС.

Термообработка серого отбеленного чугуна.

1. Нагрев до температуры 850-980ºС.
2. Выдержка 4,5-5 часов.
3. Охлаждение:

— скорость 100-120ºС в час до температуры 500ºС,

Влияние термической обработки на механические свойства чугуна

Видоизменяя структуру матрицы, термическая обработка может оказать значительное влияние на механические свойства чугуна. Наименьшей эффективностью в этом отношении характеризуется низкотемпературный отжиг, проводимый и области 200—600° С с целью снятия напряжений. Структура чугуна в большинстве случаев при этом не изменяется, если температура процесса достаточно низка, и поэтому не изменяются обычно и механические свойства испытуемых образцов, хотя прочность и вязкость самих отливок в целом несомненно повышаются. Однако в некоторых случаях это повышение свойств отмечается и на образцах вследствие снятия микронапряжений или процессов превращении аустенита. Именно так дело обстоит при низкотемпературном отжиге (старении) белого чугуна и перлитного серого чугуна, выплавленного на большом количестве стального скрапа, где низкотемпературный отжиг вследствие снятия микронапряжений приводит к повышению не только прочности, но и пластичности и вязкости. Повышение свойств при подобной термической обработке наблюдается также в сером чугуне с игольчатой структурой. Так, 5-часовая выдержка при 320—370° С повышает предел прочности при растяжении этого чугуна с 50—57 до 62—74 кГ/мм2, что объясняется в данном случае уже не только снятием микронапряжений, но и превращениями остаточного аустенита. Естественно, что этот процесс протекает еще резче при старении аустенитного чугуна. Об этом свидетельствует повышение твердости с HB 160 до 415 в случае отжига при 500° С и до 418 и 340 в случае отжига при 600° и 700° С.

Небольшое повышение твердости (на HB 15—20) имеет место также при дисперсионном твердении (3—6 ч при 500° С) медистого чугуна, в особенности ферритного. Однако главное значение процессов старения — повышение свойств и долговечности всей отливки в целом, что тем более эффективно, чем сложнее конструкция отливки и выше марка чугуна.

Небольшое же понижение пластичности и вязкости, образуемое при этом, может быть устранено отпуском при 250—300° С.

При всех процессах отжига свойства ферритизированных чугунов зависят в той или иной степени от эффективности гомогенизации и величины зерна феррита. Поэтому двухстадийный отжиг обеспечивает в высокопрочном чугуне более высокие свойства, чем одностадийный, в частности при этом повышается ударная вязкость и понижается порог хрупкости (рис. 235). Однако, выбирая температуру отжига, следует иметь в виду, что повышение ее, хотя и ускоряет и делает более совершенной гомогенизацию, вследствие чего исчезает феррит с искаженными границами зерен, но вместе с тем укрупняет зерно. Поэтому оптимальные свойства получаются при определенных значениях температуры и выдержки в зависимости от толщины отливки и состава металла. В большинстве случаев при обычных применениях на практике толщинах отливок влияние величины зерна настолько велико, что оптимальные свойства, в частности наиболее низкий порог хрупкости, получается, как показал Г. Гильберт, при низкой температуре отжига и длительной выдержке (рис. 236). То же подтверждено опытами на ковком чугуне, причем влияние более низкой температуры I стадии графитизации тем интенсивнее, чем выше содержание фосфора. Таким образом, более высокие температуры, а следовательно, и ускорение отжига ковкого чугуна возможны только при низком содержании фосфора. Отжиг высокопрочного чугуна с низким содержанием фосфора также рекомендуется иногда при высоких температурах (950° С), так как в этих условиях возможно полное исчезновение фосфидной эвтектики. Однако это имеет место, как показал М.В. Волошенко, только в тонкостенных отливках, в отливках же с тепловыми узлами происходит обратный процесс обособления фосфидной эвтектики.

Однако, как видно из рис. 241, порог хрупкости Tкр, зависящий не от этих факторов, а от состава чугуна и величины ферритного зерна, может оставаться неизменным при повышении температуры аустенизации (у чугуна с низким содержанием кремния и фосфора) или изменяться в ту или другую сторону (у чугуна с повышенным содержанием указанных элементов) в зависимости от скорости охлаждения после отпуска. При этом порог хрупкости в последнем случае повышается с увеличением температуры аустенизации при медленном охлаждении чугуна, при охлаждении же в воде с 650—700° С порог хрупкости с повышением температуры аустенизации сначала понижается вследствие лучшей гомогенизации, а потом остается без изменения. Некоторое влияние оказывает также длительность процесса аустенизации. Как показывают исследования, и эта функция имеет максимум, причем чем выше температура, тем меньше выдержка для достижения максимума твердости.

Из рис. 241 видно, что зависимость ударной вязкости от скорости охлаждения после отпуска (600° С) наблюдается только у чугуна с более высоким фосфором, что и определяет его склонность к отпускной хрупкости, которая, однако, не проявляется при низких температурах аустенизации (750—770° С) ни в отношении величины ударной вязкости, ни в отношении порога хрупкости. Это обстоятельство, как и более высокая пластичность такого чугуна, является причиной рекомендации закалки, в том числе изотермической, с нагревом до температуры внутри критического интервала (аустенито-ферритного состояния), которая пропагандируется А.А. Горшковым и М.В. Волощенко, а также зарубежными исследователями. В этом случае, например, при режиме изотермической закалки 830 —> 350° С основной структурой после закалки является феррит с равномерно распределенным трооститом. Чугун этот характеризуется большой устойчивостью против отпуска (до 500° С), небольшой твердостью, а следовательно, удовлетворительной обрабатываемостью и высокой прочностью и вязкостью:

При благоприятном составе чугуна, в частности при низком содержании фосфора, и надлежащей термической обработке можно получить и более высокие механические свойства. Так, например, по данным Р.Л. Снежного и др. максимальные свойства (ов = 125 кГ/мм2 при b = 3%) получились при изотермической накалке (950 —> 300° С). Примерно такую же прочность получил М.В. Волощенко после.закалки и отпуска с 350° С, а при легировании Si, Ni, Mo и Nb прочность чугуна после изотермической закалки достигла даже ов = 150/155 кГ/мм2 при b = 5 2/4%. Такие же высокие значения прочности приводятся иногда и в зарубежной литературе.

Значительным преимуществом процессов закалки и отпуска и изотермической обработки является, как видно из рис. 243, более низкий порог хрупкости, что обеспечивает вязкое состояние при возможных разрушениях в условиях пониженных температур.

Сталь и всё о стали

Ещё один сайт на WordPress

Рубрики

Свежие записи

Архивы

Виды термической обработки стали и чугуна

В зависимости от требований, предъявляемых к изделию, термическая обработка подразделяется на пять основных видов: отжиг без фазовых превращений в структуре металла, или рекристаллизация; отжиг, и нормализация с перекристаллизацией, или структурными превращениями; закалку, отпуск, химико-термическую обработку.

Отжиг без фазовых превращений. Этот вид термической обработки заключается в нагревании изделия до температуры ниже критической (600-700° С), в выдержке при этой температуре для равномерного прогревания изделия и медленном охлаждении вместе с печью.

Такой отжиг применяют после холодной деформации стали, в результате которой зерна стали вытягиваются в направлении деформации, т. е. преимущественно в одном направлении. В металле создается напряженное состояние, твердость и прочность повышаются, а пластичность падает. Такое явление называют наклепом. Чтобы повысить пластичность стали, ее нагревают до температуры 600-700° С.

В результате напряженное состояние металла снимается, зерна стали восстанавливают свою первоначальную форму и пластические свойства, происходит рекристаллизация.

Отжиг и нормализация с перекристаллизацией. Этот вид термической обработки заключается в нагревании доэвтектоидных сталей до температуры выше линии GS (см. рис. 13) на 30-50° С, а заэвтектоидных сталей — выше линии РК на 30-50° С, в выдержке при этих температурах и медленном охлаждении вместе с печью.

Цель этого отжига — снижение твердости стали, повышение пластичности и вязкости, улучшение обрабатываемости резанием и измельчение зерна металла. Измельчение зерна происходит следующим образом. При температурах выше линии РК происходит эвтектоидное превращение — перлит перекристаллизуется в аустенит. Зерна аустенита зарождаются в перлите на границе между ферритом и цементитом.

Таким образом, зерен аустенита образуется значительно больше, чем зерен перлита, но по размерам они мельче зерен перлита. При охлаждении из мелких зерен аустенита образуются мелкие зерна перлита, т. е. структура стали измельчается и механические свойства повышаются.

Нормализация отличается от отжига тем, что охлаждение изделия происходит на воздухе, следовательно, быстрее, чем при отжиге. Структура стали получается более мелкозернистая, поэтому механические свойства — твердость и прочность — будут выше. Нормализация в сравнении с отжигом более экономична, потому что не требует охлаждения вместе с печью. Большинство сталей поставляется металлургическими заводами после нормализации.

Закалка. Чтобы повысить твердость стали, производят ее закалку. Закалка заключается в нагревании изделий из доэвтектоидных сталей до температур выше линии GS на 30-50° С, а из заэвтектоидных сталей до температур выше линии РК на 30-50° С, в выдержке при этих температурах с последующим очень быстрым охлаждением.

При закалке твердость стали повышается следующим образом. Сталь нагревается до аустенитного состояния. В аустените — твердом растворе углерода в у-железе-* углерода растворяется больше, чем в феррите — твердом растворе углерода в железе.

Происходит перекристаллизация ужелеза в железо. Во вновь образовавшемся а-железе количество растворенного углерода будет такое же, как в у-железе. Поэтому после закалки стали получается структура пересыщенного углеродом а-железа, в результате чего повышается твердость металла. Такая структура называется мартенситом. Твердость мартенсита НВ700.

Необходимая скорость охлаждения при закалке обеспечивается охлаждающей средой. Например, все углеродистые стали для получения мартенситной структуры охлаждают в воде. Легированные стали требуют меньшей скорости охлаждения, поэтому их охлаждают в масле или других средах в зависимости от количества легирующих элементов.

Отпуск. Отпуск заключается в нагревании закаленной стали до температуры ниже критической, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Отпуск служит для снятия внутренних напряжений в изделии, которые возникают при закалке, а также для повышения пластических свойств у изделий после закалки.

Мартенсит, получаемый после закалки стали,- не-, устойчивая структура. Поэтому при нагревании: закаленного изделия до температур, значительно ниже критических, мартенсит разрушается, образуя механическую смесь феррита и цементита.,

Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий. Отпуск при температуре 200-250°С называется низким. Этому виду отпуска подвергают режущий инструмент для уменьшения хрупкости и снятия напряжений, при этом сохраняется высокая твердость. После низкого отпуска получается структура, называемая мартенситом отпуска.

Отпуск при температуре 400-450°С называют средним. При этих температурах мартенсит распадается на ферритоцементитную смесь более мелкодисперсную, чем перлит.

Такая структура называется тро-оститом отпуска. После среднего отпуска твердость понижается (НВ380-420), а прочность и вязкость будут очень высокими.

Отпуск при температуре 600-650° С называют высоким. При этих температурах мартенсит распадается также на ферритоцементитную смесь более крупного, грубого строения, чем троостит отпуска. Структуру, полученную после высокого отпуска, называют сорбитом отпуска. Высокий отпуск обеспечивает высокие пластические свойства, достаточно высокую прочность и небольшую твердость (НВ280-320).