Теория термической обработки

Отжиг чугунов

1

Графит по сравнению с цементитом труднее зарождается и труднее растет в металлической матрице. Для зарождения графита требуются гораздо большие

флуктуации концентрации.

При росте графитного кристалла необходимо почти полное удаление атомов железа от фронта продвижения его границы в металлической матрице. Поэтому образование метастабильного цементита в определенных условиях.

Графит – стабильная фаза. Выдержка чугуна при повышенных температурах должна в конце концов привести к замене цементита графитом.

Кремний, никель, алюминий и другие элементы способствуют графитизации, а марганец, хром, ванадий, магний, церий, сера и другие элементы затрудняют ее.

Основные разновидности отжига 2-го рода чугунов – графитизирующий отжиг и нормализация.

2

Первая стадия графитизации

Во время выдержки при 900–1050° С проходит первая стадия графитизации , по окончании которой весь цементит эвтектического происхождения и остатки вторичного цементита заменяются графитом и структура из аустенито-цементитной превращается в аустенито-графитную.

Графитизация белого чугуна на первой стадии состоит в зарождении графита на границе А/Ц и вдали от цемен- титных кристаллов и росте графита при одновременном растворении цементита в аустените путем переноса атомов углерода через аустенит от границы А/Ц к границе А/Г.

Местами гетерогенного зарождения графита служат несплошности, скопления вакансий, усадочные и газовые микропустоты, микротрещины, диффузионные поры.

4

Форма графита зависит от температуры отжига и состава чугуна.

Углерод отжига быстрее разрастается вдоль высокоугловых границ и субграниц, так как по ним быстрее отводятся атомы железа. Такое нежелательное разветвление графита усиливается с ростом температуры, и после отжига при температурах выше 1050–1070° С механические свойства чугуна оказываются очень низкими. Этим определяется верхняя температурная граница первой стадии графитизации.

При охлаждении чугуна после окончания первой стадии графитизации состав

аустенита изменяется по линии E'S' и из него выделяется вторичный графит. Эту стадию графитизации называют промежуточной. Вторичный графит

наслаивается на включения углерода отжига.

6

Вторая стадия графитизации

Металлическая матрица ковкого чугуна формируется при эвтектоидном распаде аустенита.

Для получения чисто ферритной матрицы охлаждение в интервале температур эвтектоидного распада должно быть медленным. Здесь проходит вторая стадия графитизации – аустенит распадается по схеме А Ф + Г.

При эвтектоидном распаде графит наслаивается на углерод отжига, образовавшийся в первую и промежуточную стадии графитизации, и феррито- графитный эвтектоид как самостоятельная структурная составляющая в виде дисперсной смеси чередующихся фаз не образуется.

Эвтектоидный распад А Ф + Г может идти нормальным и абнормальным

путем.

При нормальном распаде аустенит все время находится в контакте с

образующимися из него ферритом и графитом.

Абнормальное эвтектоидное превращение начинается в том случае, когда феррит полностью окружает графит и прерывается контакт аустенита с графитом. При абнормальном эвтектоидном превращении графит выделяется не из аустенита, а из феррита.

7

При сравнительно небольших переохлаждениях аустенита (или медленном непрерывном охлаждении), полная ферритизация матрицы происходит непосредственно при эвтектоидном распаде по схеме А Ф + Г. Структура чугуна состоит из углерода отжига и феррита.

При больших переохлаждениях становится возможным образование перлита, т.е. имеет место перлитное превращение (А Ф+Ц). Если при охлаждении идут оба эвтектоидных процесса (А Ф+Г и А Ф+Ц), то структура чугуна состоит из углерода отжига, феррита и перлита.

Чем больше степень переохлаждения (или больше скорость охлаждения при непрерывном понижении температуры), тем большая доля аустенита распадается по схеме А Ф+Ц. Если охлаждение отливки в интервале эвтектоидного превращения не замедлить, то получится чисто перлитный ковкий чугун. Его структура состоит из углерода отжига и перлитной матрицы.

С увеличением количества перлита в структуре ковкого чугуна прочностные свойства растут, а пластичность снижается. Например, у ферритного ковкого чугуна марки КЧ37-12 σв = 370 МПа и δ = 12%, а у перлитного чугуна марки КЧ63-2

σв = 630МПа и δ = 2%.

8

Развитие второй стадии графитизации можно обеспечить не только замедлением охлаждения в эвтектоидном интервале температур, но и изотермической выдержкой после обычного, не замедленного охлаждения. Одновременно с графитизацией перлитного цементита при изотермической выдержке происходят деление цементитных пластин и сфероидизация цементита.

Чугун с матрицей из зернистого перлита отличается сочетанием, высокой прочности и повышенной пластичности, а также хорошей обрабатываемостью резанием и высокими антифрикционными свойствами. При σв = 600 МПа

относительное удлинение δ такого чугуна достигает 10%, и им можно заменить литую и кованую сталь. Из ковкого чугуна с основой из зернистого перлита изготавливают даже такие ответственные изделия, как коленчатые кулачковые валы.

Отжиг белого чугуна на ковкий – длительный процесс, продолжающийся десятки часов. В производстве ковкого чугуна отжиг наиболее дорогая операция, сильно влияющая на себестоимость литья. Поэтому разработаны разные способы ускорения отжига (оптимизация режимов, введение модификаторов и т.д.).

9

Отжиг для устранения отбела

В тонких сечениях отливок из серого чугуна и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом из-за ускоренного охлаждения кристаллизуется ледебурит, т. е. чугун получается белым. При литье в кокиль вся поверхность может получиться отбеленной. Для улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности проводят графитизирующий отжиг, устраняющий отбел отливок.

Так как серый и высокопрочный чугуны содержат больше кремния, чем ковкий (до 3,3%), то графитизация в них развивается быстрее. Поэтому температура и время отжига для снятия отбела меньше, чем при отжиге белого чугуна на ковкий. Отливки для снятия отбела нагревают до 850–950° С и после выдержки 0,5– 5 ч охлаждают на воздухе. В зависимости от скорости охлаждения и состава чугуна матрица в бывших отбеленных участках получается перлитной или феррито- перлитной.

10