Графитизирующий отжиг

Графитизирующему отжигу подвергают белые, серые и высокопрочные (модифицированные) чугуны.

Отжиг белого чугуна на ковкий

Белый чугун тверд и очень хрупок из-за большого количества эвтектического цементита в его структуре. Современный способ получения ковкого чугуна графитизирующим отжигом белого был изобретен в начале XIX в.

В настоящее время ковкий чугун — это широко применяемый машиностроительный материал, сочетающий простоту и дешевизну получения отливки фасонных деталей с высокими механическими свойствами.
Для производства ковкого чугуна используют отливки из доэвтектического белого чугуна, содержащего 2,2 — 3,1 % С; 0,7 — 1,5% Si; 0,3 — 1,0% Mn и до 0,08% Cr. Содержание в шихте кремния, облегчающего графитизацию, и марганца с хромом, затрудняющих ее, регулируют таким образом, чтобы подавить кристаллизацию графита из расплава и обеспечить возможно более быстрое прохождение графитизации при отжиге.

Напомним, что при кристаллизации серого чугуна графит растет из расплава в неблагоприятной для механических свойств форме разветвленных крабовидных розеток, сечения которых на шлифе имеют вид изогнутых пластин.

График отжига белого чугуна на ковкий

График отжига белого чугуна на ковкий: I и II — первая
и вторая стадии графитизации.

При отжиге белого чугуна графит называемый углеродом отжига, образуется в значительно более компактной, благоприятной для механических свойств форме. Хотя ковкий чугун и не куют, но относительное удлинение у него находится в пределах 2 — 20% (в зависимости от структуры), в то время как у белого чугуна относительное удлинение не превышает 0,2%, а у серого — не более 1,2%.

Микроструктура ковкого чугуна на ферритной основе

Исходный фазовый состав белого чугуна такой же, как у стали — феррит и цементит, и поэтому механизм его аустенитизации аналогичен рассмотренному вОбразование аустенита при нагревании. При нагревании вначале происходит перлито-аустенитное превращение, затем растворение вторичного цементита и гомогенизации аустенита по С и Si.

Первая стадия графитизации

Во время выдержки при 900 — 4050 °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 аустенитографитную.

Предположение о разложении цементита с непосредственным выделением из него графита по реакции Fe3C — 3Fe + C не согласуется со многими фактами. В частности, форма углерода отжига в ковком чугуне не соответствует форме исходных кристаллов цементита. 

Доказано, что графнтнзация белого чугуна на первой стадии состоит в зарождении графита на границе А/Ц и вдали от цементитных кристаллов и росте графита при одновременном растворении цементита в аустените путем переноса атомов углерода через аустенит от границы А/Ц к границе А/Г.

Удельный объем графита в несколько раз больше, чем у аустенита, и поэтому его гомогенное зарождение в плотной металлической матрице маловероятно — слишком велика упругая составляющая ∆Fyпp в формуле. Дислокации, субграницы и высокоугловые граниты мало эффективны в качестве мест гетерогенного зарожденияграфита из-за большой величины ∆Fyпp.

Как известно, серое олово, удельный объем которого на одну четверть больше, чем у белого, зарождается предпочтительно на открытой поверхности образца белого олова. Естественно, что при графитизации, когда удельный объем новой фазы еще более резко отличается от удельного объема исходной фазы, зародыши также преимущественно возникают на свободной поверхности аустенита.

В объеме отливки местами гетерогенного зарождения графита служат несплошности, скопления вакансий, усадочные и газовые микропустоты, микротрещины, разрывы на границе аустенита с неметаллическими включениями из-за разности их термического расширения. Местами зарождения графита могут быть диффузионные поры, возникающие при гомогенизации аустенита.

Например, при выравнивании состава аустенита после ухода атомов кремния из обогащенных им участков остается избыток вакансий, образующих поры. Этим предположительно можно объяснить ускорение графитизации под действием кремния, которое происходит, несмотря на то, что кремний замедляет диффузию углерода в аустените.

После образования центров графитизации в аустените существует градиент концентрации углерода, так какпредельная растворимость цементита в нем выше, чем графита (на диаграмме состояния рисунка Диаграмма состояния Fe — С линия ES находится правее линии E´S´). Например, если первая стадия графитизации проходит при температуре t*, то состав аустенита на границе с цементитом изображается точкой b, на границе с графитом — точкой а.

Участок диаграммы

Участок диаграммы состояния Fe — С со сплошными линиями
стабильного и пунктирными линиями метастабильного
равновесия (схема).

Выравнивание концентрации углерода в аустените делает его ненасыщенным по отношению к цементиту (на границе А/Ц состав аустенита сдви гается влево от точки b) и пересыщенным по отношению к графи ту (на границе А/Г состав сдвигается вправо от точки a). В результате непрерывно, вплоть до исчезновения, растворяется цементит и растет графит.

Кроме переноса атомов углерода через твердый раствор, для графитизации необходим еще один процесс — эвакуация атомов железа от поверхности растущего графита, чтобы освободить графиту «жизненное» пространство. К. П. Бунин доказывает, что именно этот диффузионный процесс, а не приток атомов углерода, контролирует скорость роста графитных включений в аустените, так как диффузионная подвижность атомов железа намного меньше, чем у углерода.

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.

Добавки и примеси оказывают сложное влияние на рост углерода отжига, изменяя скорости диффузии железа и углерода и другие параметры. Например, малые добавки магния (~0,1%) обеспечивают рост углерода отжига в компактной форме. Регулируя температуру отжига и состав белого чугуна, можно получать ковкий чугун с весьма компактными включениями углерода отжига.

При охлаждении чугуна после окончания первой стадии графитизации составаустенита изменяется по линии ES и из него выделяется вторичный графит. Эту стадию графитизации называют промежуточной. Вторичный графит наслаивается на включения углерода отжига и обычно самостоятельной структурной составляющей не дает.

Термическая обработка сортовой стали представляет собой весьма важную отделочную операцию. Одним из самых перспективных способов упрочнения сортового проката в настоящее время является термомеханическая обработка в технологическом потоке за чистовыми клетями станов. При этом конечные свойства металла зависят от марки стали, сечения проката, степени деформации и температуры металла перед закалкой, закалочной среды и температуры отпуска. Полосы периодического профиля арматурной стали диаметром 10 мм из низколегированной марганцовистой стали 25 ГС в результате термомеханической обработки в потоке имеют предел прочности, равный 115—130 кгс/мм2 (повышается в два раза), и относительное удлинение 10—13%.

Термомеханическую обработку применяют на ряде мелкосортных станов наших заводов.

Ускоренное охлаждение металла непосредственно после прокатки в потоке станов улучшает его структуру (механические свойства) и уменьшает окалинообразование и обезуглероживание. Регулируемое и ускоренное охлаждение водой прокатного нагрева имеет особое значение для улучшения качества катанки, скорость прокатки которой на современных станах весьма высока. Этот процесс позволяет получать пластичный металл со структурой мелкодисперсного перлита (сорбита), что способствует большим вытяжкам при волочении. Ускоренное охлаждение катанки после чистовой клети проволочных станов перед смоткой в бунты резко сокращает расход металла в окалину и выгорание улерода. Исследования показали, что если на линейных проволочных станах при температуре конца прокатки 800—850° С, скорости прокатки до 8 м/с и массе бунтов до 80—90 кг образуется 15—18 кг окалины на 1 т металла, то на непрерывных проволочных станах при температуре конца прокатки 1000—1050° С, скорости прокатки 25—30 м/с и массе бунтов до 300—350 кг на 1т металла приходится около 30 кг окалины. Отсюда и большой расход кислоты при травлении катанки, поступившей с непрерывных станов (42 кг на 1 т металла), по сравнению с расходом кислоты при травлении катанки, поступившей с линейных станов (25 кг на 1 т металла). Поэтому ускоренное охлаждение металла на непрерывных станах трудно переоценить. Чаще всего охлаждение катанки на непрерывных станах осуществляется водой в направляющих трубах, при котором готовые раскаты поступают от чистовых клетей к моталкам.

Упрочняющая термическая обработка сортового проката с отдельного нагрева в термических отделениях прокатных цехов из-за значительного коробления менее развита, чем термическая обработка листового проката. Однако и сортовой прокат (круглую, квадратную, угловую, периодического профиля арматурной стали и другие профили) целесообразно подвергать термической обработке. Упрочняющий режим термической обработки сортовой стали может состоять в нагреве прутков в непрерывных печах с роликовым подом в зависимости от марки стали до 800—900° С, закалке водовоздушной смесью в камере с роликовым подом и отпуске в печи при 400—550° С.

Химико-термическая обработка в строительстве

Наименование инструмента	Диаметр или толщина, мм	Выдержка при цианирооанни
жидкостном, мин	газовом, ч	твердом, ч
Сверла, зенкера, развертки	3- 5 20—30	16—23	1,0—1,5 1,5-2,0 2,0—3,0	2,0—2,5 2,5—3,0 3,0—4,0
Резьбонарезные фрезы: со шлифованным зубом с нешлифованным зубом	25—50 50 25—50	12 15 15 18—20	1,0-1,5 1,0—2,0 1,5-2,0 2,0—2,5	1,5—2,0 2,0-2,5 2,0—2,5 2,5—3,0

Дата добавления: 2015-07-10