22. Образование аустенита и рост его зерна при нагреве. Перегрев и пережог.
22.1. Образование аустенита при нагревании Механизм и кинетика аустенитизации
Перед отжигом углеродистых сталей исходной структурой чаще всего является ферритокарбидная смесь. Из диаграммы состояния Fe — С видно, что основное превращение при нагревании — это переход перлита в аустенит при температурах выше точки A1 (727 °С).
Диаграмма состояния Fe — С
Переход перлита в аустенит, его кинетика подчиняются основным закономерностям фазовых превращений, протекающих при нагревании. Экспериментально установлено, что зародыши аустенита возникают на границах феррита с цементитом. Начальные этапы формирования зародышей аустенита экспериментально не изучены и о них имеются лишь предположения. Превращение αо.ц.к. → γг.ц.к. в чистом железе возможно только при температурах не ниже 911 °С. Если же феррит находится в контакте с цементитом, то в соответствии с диаграммой состояния α — γ-превращение должно идти при температурах, начиная с 727 °С. Аустенит при температуре несколько выше точки А1 содержит около 0,8%С, в то время как феррит в стали содержит сотые доли процента углерода. Каким же образом возникает участок фазы с г. ц. к. решеткой и сравнительно высоким содержанием углерода?
Большинство гипотез зарождения аустенита исходит из флуктуационных представлений, причем формально рассматриваются два крайних случая. Во-первых, можно представить, что базой для зарождения аустенита являются флуктуации концентрации. Внутри феррита вероятность образования значительного числа флуктуационных участков критического размера ничтожна, так как атомов углерода здесь очень мало. На границе феррита с цементитом между фазами идет непрерывный обмен атомами (динамическое равновесие) и в приграничном слое (феррита намного больше вероятность флуктуационного возникновения участков критического размера с концентрацией около 0,8%С. Такие участки при любом самом малом перегреве выше точки А1 претерпевают полиморфное α — γ-превращение твердого раствора и становятся устойчивыми центрами роста аустенитных зерен. Ниже точки А1подобные участки в феррите также могут возникать, но в устойчивые центры роста аустенита они не превращаются, так как γ-peшетка здесь термодинамически нестабильна. Другое предположение состоит в том, что при зарождении аустенита первичны не флуктуации концентрации, а флуктуационная перестройка решетки. Внутри феррита участки с γ-решеткой флуктуационного происхождения возникают и исчезают, а на границе с цементитом при температурах выше А1 в эти участки поступает углерод из карбида и если они имеют критический размер, то становятся устойчивыми центрами роста аустенита.
22.2. Если нагреть металл до верхней критической точки и продолжать повышать температуру, то, рассматривая металл под микроскопом, можно обнаружить рост его зерен. Чем выше температура, тем энергичнее происходит рост зерен и тем они крупнее, тем продолжительнее процесс нагрева до данной температуры. Металл, имеющий сильно укрупненные зерна, называется перегретым металлом. В процессе ковки сильно перегретый металл дает рванины и трещины, особенно в углах слитка или заготовки, а в изломе имеет сильно укрупненную структуру, что можно сравнительно легко наблюдать простым глазом. Перегрев зависит от двух факторов: температуры и времени нагрева. Из практики работы кузнечных печей известно, что если слиток или заготовку продержать в печи при высокой температуре (например, в сварочной части методической печи) больше, чем обычно, то при ковке такого слитка или заготовки получаются рванины вследствие перегрева. Наоборот, слиток, находящийся в печи при той же температуре, но менее продолжительное время, проковывается вполне нормально. Таким образом, перегрев металла возможен при любой температуре, превышающей критическую точку, но величина перегрева при данной температуре зависит от продолжительности выдержки. Перегретый металл может быть исправлен последующим отжигом, т. е. медленным нагревом до температуры на 10—30 выше точки, и последующим медленным охлаждением. Если нагретый металл оставить в печи на длительное время при высокой температуре, то произойдет его пережог. Пережог происходит оттого, что кислород, находящийся в печных газах, проникает с поверхности в глубь металла, границы зерен металла окисляются, а вещество, образовавшееся между крупными зернами, расплавляется. В результате между зернами металла образуются жидкие пленки, связь между зернами нарушается, и металл становится непрочным, на заготовке появляются крупные трещины, и она распадается на части. Дальнейшее нагревание приводит к оплавлению или разрушению отдельных участков заготовки. Пережог зависит в основном от температуры нагрева, состава печных газов и времени нагревания металла при высоких температурах. Пережженный металл исправить нельзя, заготовка идет обычно в брак, а сохранившийся металл может быть использован только путем переплавки в мартеновской печи. Для предупреждения пережога металла необходимо при нагреве соблюдать следующие основные условия: 1. Сжигать топливо с наименьшим коэффициентом избытка воздуха так, чтобы в печных газах не было свободного кислорода. 2. Не загружать заготовки на под печи «навалом», а располагать их таким образом, чтобы они по возможности омывались печными газами, а факелы горелок или форсунок не били бы (лизали) поверхность нагреваемых заготовок. 3. Загружать в печь металла можно столько, чтобы ковочный агрегат мог его проковать за время, которое необходимо для нагрева заготовки до ковочной температуры. Лучше загружать печь по штучному способу, т. е. одна-две нагретые заготовки выдаются из печи, а на место их подаются холодные заготовки и т. д. При штучной загрузке продолжительность пребывания металла при высоких температурах будет такой, какая требуется для его нагрева. А это даст возможность избежать перегрева и пережога металла.