Теплая деформация пластинчатого перлита

Использование холодной пластической деформации пластинчатого перлита для получения глобулярного перлита

Большим резервом ускорения процессов сфероидизации Ц при отжиге является предварительная холодная деформация металла. Особенно такая операция эффективна для доэвтектоидных сталей. Во время последующего отжига при подкритических температурах ускоряется процесс сфероидизации и укрупнения карбидов, при этом глобулизация происходит при более низких температурах и быстрее, чем при отжиге горячекатаной или нормализованной стали. В работах Долженкова И.Е. и др. это связывается с влиянием холодной деформации на растворимость углерода в феррите, диффузию углерода и самодеффузию атомов железа.

На процесс перестройки карбидной фазы при отжиге влияет дисперсность исходной структуры перлита. Коагуляция Ц в деформированном тонкопластинчатом перлите начинается при более низкой температуре, чем в грубопластинчатом. Процесс коагуляции происходит в две стадии:

-сначала Ц пластины разбиваются на мелкие глобули;

-мелки частицы Ц растворяются в процессе рекристаллизации феррита с последующим выделением более крупных частиц на границах и внутри рекристаллизованных зерен феррита.

Структурные изменения в деформированном перлите при последующем подкритическом отжиге происходят в следующей последовательности:

-в интервале температур 300-400⁰ С вдоль пластин Ц в отдельных местах наблюдается уменьшение толщины, затем пластины дробятся и особенно интенсивно в области ~500⁰ С;

-при повышении температуры выше 550⁰ С наблюдается рост карбидных частиц и их сфероидизация. Это связывают с переходом промежуточных карбидов (эпсилон -e); (кси) c (Fe₂C- Fe_2,4C) в Fe₃C. Основная часть промежуточных карбидов превращается в цементит в области ~250-300⁰С и выше, при этом в процессе нагрева происходит диссоциация (растворение) этих карбидов и углерод диффундирует к границе между ферритом и Ц, взаимодействует с атомами железа и в виде молекул Ц присоединяется к карбидам цементита, ускоряя процессы сфероидизации и коагуляции.

Скорость получения глобулярного перлита при таком процессе в несколько раз выше, чем при традиционной сфероидизации, но процесс требует деформирующего оборудования.

Одной из возможных обработок для получения глобулярного перлита является деформация металла в подкритическом (ниже А₁) интервале температур с последующим отжигом при температурах ниже А₁. В сравнении с обычным отжигом при подкритических температурах, в частности при 650⁰С, время сфероидизации пластинчатого перлита стали с 0,74%С после теплой деформации может быть сокращено в 10⁴ раз. А в случае, если степень теплой деформации составляла 50% и более, сфероидизация карбидов происходит практически в процессе деформации. При этом диаметр глобулей бывает больше толщины исходных пластин Ц. Поэтому процесс тепловой деформации, при котором сфероидизация карбидов происходит во время обработки давлением, называют в литературе “динамической сфероидизацией”.

На ускорение процесса сфероидизации оказывают влияние следующие факторы:

-размер пластин цементита в перлитных колониях и расстояние между ними (чем меньше толщина пластин, тем быстрее идет процесс их дробления и образования глобулей). Это связано с увеличением интенсивности диффузионных процессов за счет уменьшения толщины Ц пластин и межпластинчатого расстояния. В отожженной стали после деформации 30-50% при 500-700⁰ С наблюдаются только начальные стадии сфероидизации, в то время как в нормализованной стали при тех же параметрах обработки процесс сфероидизации наблюдается более полно;

-повышение степени и температуры деформации ускоряет процесс сфероидизации и увеличивает количество глобулярного Ц;

-количество раздробленных (пластически деформированных) пластин Ц в перлитных колониях. В работах различных авторов указывается, что при холодной или теплой пластической деформации пластины Ц разрушаются или пластически деформируются (хотя есть утверждения, что только деформируются). При этом надо отметить, что разрушаются и деформируются преимущественно пластины Ц, расположенные перпендикулярно направлению прокатки, а пластины, параллельные направлению прокатки деформируются в меньшей степени. При последующем нагреве или во время теплой деформации происходит процесс полигонизации с образованием субграниц и скоплений дислокаций, способствующих делению цементитной пластины на части за счет растворения в местах выхода на поверхность субграниц. Причем не только субграницы способствуют делению Ц, но и места с повышенной плотностью дислокаций в Ц. Процесс сфероидизации в колониях перлита с деформированными пластинами Ц начинается раньше и происходит более полно, т.е. тепловая деформация ускоряет более интенсивно первую стадию процесса- образование глобулей, поэтому в металле после такой обработки наблюдается структура, более мелкая, чем при обычных подкритических отжигах..

Процесс ускорения сфероидизации при тепловой деформации перлита объясняется ускорением процессов самодиффузии. По данным Роббинса при скорости деформации кручением 2,4% в секунду скорость самодиффузии железа при 700⁰ С возрастает в 25.000 раз. Ускорение процесса сфероидизации обьясняется не только увеличением подвижности атомов железа, но и углерода. Вероятно, это связано с образованием пар вакансия-атом углерода, которые более подвижны при таких температурах, чем атомы углерода. Увеличение диффузионной подвижности атомов железа и углерода объясняется также и образованием повышенной плотности дефектов и созданием субструктуры (т.е. дислокационные трубки, границы зерен и субзерен и т.д.)

Тепловая обработка существенно ускоряет процесс сфероидизации Ц и поэтому рекомендуется как предварительная при проведении эффективной сфероидизирующей обработки.

В машиностроении используются различные режимы предварительной термической обработки с целью измельчения зеренной структуры; измельчения частиц вторичной фазы (карбидов, карбонитридов и т.д.); для уменьшения деформации изделий при финишной термообработке и т.д. На рис.80 приведены схемы наиболее часто применяемых режимов предварительной термической обработки заготовок в машиностроении.

Рис.80 - Схемы режимов предварительной термической обработки заготовок в машиностроении:

а - отжиг с непрерывным регламентированным охлаждением при над- и подкритических температурах; б - изотермический отжиг с отдельного нагрева;
в - изотермический отжиг непосредственно после ковки, штамповки или сварки (с двойной фазовой перекристаллизацией); г - то же, без повторной фазовой перекристаллизации; д - циклический ступенчатый отжиг; е - циклический бесступенчатый отжиг; ж - низкий отжиг (высокий отпуск); з - нормализация; и -термическое улучшение.

Литература:

-Тушинский Л.И. Структура перлита и конструктивная прочность стали. Наука, Новосибирск, 1993;

-Долженков И.Е. и др. Сфероидизация карбидов в стали. М.: Металлургия. 1984

Хххххххххххххххххххххххххххххххххххххх

Графитизирующий отжиг сталей.

Часто для изготовления стальных изделий, от которых требуются повышенная износостойкость при высоких давлениях без ударных нагрузок, пластичность и смазочные свойства (втулки, вкладыши, подшипников, в которых не используется органическая смазка, протяжные матрицы - для проволоки, ленты, ролики правильных машин, детали пескоструйных машин и т.д.) применяют сталь после графитизирующегого отжига, которая в своей структуре имеет углерод в виде вкраплений графита. Такие стали (в зависимости от химического состава) часто эксплуатируются при температурах не выше 350⁰С.

Содержание серы и фосфора в таких сталях не более 0,03%.

Особенностью химических составов графитизирующихся сталей является высокое содержание углерода (в пределах 1,1-1,6%), повышенная концентрация кремния (основного графитизирующего элемента - 0,8-2,0%) и одного или несколько элементов, способствующих графитизации.

Известно, что карбидообразующие элементы: хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан – препятствуют графитизации стали.

Легирующие элементы, не образующие карбидов в стали – кремний (может быть до 2% - основной графитизатор), алюминий, медь, никель, кобальт – способствуют графитизации. Механические свойства графитизированных сталей определяются их структурой.

В последние десятилетия графитизированные стали (таблица 4) достаточно эффективно используются также при изготовлении металлургического оборудования, испытывающего в процессе работы термоциклические нагрузки (изложницы, литейные формы, штамповый и прессовый инструмент и т.д.).

Таблица 4 -Наиболее часто используемые графитизирующиеся стали имеют

следующий усредненный химический состав (% по массе):

Марка стали	C	Si	Cu	Ti	Mn	Cr £	Ni £	B
ЭИ293	1,6	0,8	-	-	0,2-0,4	0,08	0,2	-
ЭИ336	1,4-1,6	0,8- 1,25	0,6 -	- 0,2-0,6	0,3- 0,5	0,08- 0,08	0,2 0,2	-
Состав часто используемых сталей	1,2 - 1,5	1 - 1,3	-	-	0,3-0,6	-	-	0,1

В практике используют различные режимы термической обработки для получения графита в сталях с указанным химическим составом:

1. Режим графитизирующего отжига заключается в нагреве металла до температуры выше критической точки А_cm» на 50⁰С (» 850 – 950⁰С), выдержке (2-12час.) и переохлаждении до»700- 800⁰С, длительной выдержке при этой температуре для перевода заэвтектоидного вторичного цементита в графит, а затем медленно охлаждают с печью до ~600⁰С для дальнейшего выделения графита, после чего охлаждают на воздухе. Структура в такой стали получается феррит+графит. При нагреве до»900-950⁰С в стали с высоким содержанием углерода и кремния возникают центры графитизации, которые растут за счет распада вторичного цементита и той части углерода в аустените, которая является избыточной (свыше 0,8%). После переохлаждения до»700- 800⁰С зародыши графита являются центрами кристаллизации для этого избыточного углерода. При охлаждении стали до субкритических температур происходит распад аустенита и выделение углерода с дальнейшей его графитизацией.

2. Наиболее интенсивно процесс графитизации протекает в стали с мартенситной структурой. Поэтому возможна графитизирующая термообработка по такой многостадийной схеме: закалка стали с температур полной аустенитизации (»950⁰С) в воде или в масле с получением мартенситной структуры и А_ост., отпуск (собственно графитизация) при»700⁰С (обычно 5-15час. – рис.81). Структура получается зернистый перлит + графит (рис.81,б). Если проводится еще и последующая окончательная термообработка – закалка с»860⁰С (как для заэвтектоидных сталей, при минимальной выдержке) в воде или масле, отпуск 150-200⁰С, то структура стали получается мартенсит отпуска +графит. Производить нагрев под закалку выше этой температуры (»860⁰С) не рекомендуется по причине снижения твердости закаленного металла за счет повышенного содержания остаточного аустенита.

Рис.81 - структура графитизирующейся стали после закалки (а) и после высокого (680^0С) отпуска, 6 час. х800 [Бунин К.П. и др]

Кинетика графитизации закаленной стали зависит от температуры закалки. Установлено, что стали, закаленные от температуры 900⁰С, графитизируются при отжиге с наибольшей скоростью. Понижение температуры закалки приводит к уменьшению скорости графитизации при последующем отжиге. Повышение температуры нагрева под закалку выше 900⁰С приводит к замедлению последующей графитизации. Количество остаточного аустенита, зависящее от режима охлаждения стали при закалке, влияет на количество центров и на скорость графитизации. Чем полнее происходит g®a превращение (т.е. чем меньше А_ОСТ), тем быстрее протекает процесс и большее количество центров графитизации. Увеличить количество центров графитизации в закаленной стали возможно за счет последующего низкотемпературного отпуска при котором в мартенсите выделяются частицы промежуточного (e-карбид), межатомное расстояние в котором и в графите различается всего на 5% (т.е. e-карбид является хорошей подкладкой для зародышей графита при последующем отжиге при 650-680⁰С). В зависимости от концентрации кремния в графититизированной стали температура низкотемпературного отпуска закаленной стали может находиться в пределах ~220-450⁰С.

Литература:

1.Бунин К.П., Баранов А.А., Погребной Э.Н. Графитизация стали.изд.АН УСССР, К.: 196.1-85с

2.Груздов П.Я. Графитизированная сталь. Стандартгиз. 1950

3.Коровина В.Г. Литая графитизированная сталь. Машгиз.1959

Хххххххххххххххххххххххххх

Дата добавления: 2014-10-23