Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Особенности структуры и свойств высокопрочного чугуна с шаровидным графитом 8
1.2. Влияние химического состава на формировании структуры металлической матрицы в высокопрочном чугуне с шаровидным графитом 13
1.3. Влияние модифицирования 23
1.4. Термическая обработка высокопрочного чугуна с шаровидным графитом 28
1.5 Получение бейнитного высокопрочного чугуна с шаровиднымграфитом 32
1.5.1. Теоретические представления о получении бейнитного чугуна с шаровидным графитом 32
1.5.2. Особенности бейнитных чугунов с шаровидным графитом... 35
1.5.3 Получение бейнитного чугуна с шаровидным графитом 37
1.6. Получение и особенности аусферритных чугунов 38
1.7. Применение бейнитных и аусферритных высокопрочных чугунов с шаровидным графитом 41
1.8. Краткие выводы и задачи исследования 43
2. Методика проведения исследований 45
2.1. Объем и характер работ 45
2.2. Плавка и модифицирование 48
2.3. Определение прокаливаемости 50
2.4. Термическая обработка отливок 51
2.5. Химический и фазовый анализ 51
2.6. Металлографический анализ 52
2.7. Механические испытания 55
2.8. Испытания на износ и определение коэффициента трения 56
2.9. Статистическая обработка экспериментальных данных 61
3. Исследование особенностей структуры и свойств бейнитных и аусферритных высокопрочных чугунов с шаровиднымграфитом 62
3.1. Анализ возможности получения бейнитных структур в чугунах и сталях при упрощенной термической обработке 62
3.2. Особенности бейнитного превращения в графитизированных чугунах 76
3.3. Анализ влияния структурных факторов на триботехнические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом 85
3.4. Основные результаты и выводы по главе 92
4. Особенности получения и использование беинитных и аусферритных чугунов с шаровидным графитом 95
4.1. Влияние формы графита на механические свойства бейнитного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом 95
4.2. Влияние термической обработки на структуру и механические свойства бейнитно-аусферритного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом 98
4.3. Влияние химического состава и режима термической обработки бейнитного высокопрочного чугуна на его триботехнические свойства 104
4.4. Влияние химического состава высокопрочного чугуна с шаровидным графитом на его прокаливаемость 110
4.5. Особенности получения высокопрочного чугуна марки ВЧ 100 и выше 113
4.6. Использование бейнитно-аусферритного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом 120
4.7. Основные результаты и выводы по главе 124
Основные результаты и выводы 126
Библиогафическии список используемой литературы.. 129
Приложения 141
- Влияние химического состава на формировании структуры металлической матрицы в высокопрочном чугуне с шаровидным графитом
- Испытания на износ и определение коэффициента трения
- Анализ влияния структурных факторов на триботехнические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
- Влияние термической обработки на структуру и механические свойства бейнитно-аусферритного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
Введение к работе
Актуальность проблемы. Известно, что чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) даже в литом состоянии могут обладать высокими прочностными свойствами, вплоть до марки ВЧ 70. Однако для получения чугунов более высоких марок (ВЧ 80 и выше) необходимы их дополнительное легирование или упрочняющая термическая обработка. Недостаток чугунов наиболее высоких марок заключается в их невысокой пластичности и вязкости. Этот недостаток устраняется путем обеспечения бейнитной, бейнитно-аустенитной или аусферритной структуры металлической основы (матрицы) чугунов. Целесообразно также получение чугунов с комплексной бейнитно-аусферритной структурой.
Сочетание высоких механических свойств, включая повышенные значения пластичности и ударной вязкости, в ЧШГ получают путем использования рационального химического состава и способа термической обработки чугунов.
Наиболее распространенным способом получения бейнитной структуры в высокопрочных чугунах является изотермическая закалка. Недостаток этого процесса состоит в трудоемкости и энергоемкости процесса вследствие необходимости использования специального оборудования и жидких охлаждающих сред в виде расплавов солей и щелочей с вредными выделениями.
Цель работы. Разработка бейнитно-аусферритных высокопрочных чугунов, отличающихся высокими механическими и триботехническими свойствами и упрощенных технологических процессов их получения.
Задачи исследования:
- исследование влияния химического состава на изотермический распад
аустенита;
- теоретическое и экспериментальное исследование особенностей
бейнитного превращения в графитизированных чугунах, в частности,
исследование возможности получения чугунов с комплексной бейнитно-аусферритной структурой;
разработка рациональных составов чугунов и способов их получения (включая процессы выплавки, модифицирования и термической обработки);
исследование структуры, механических и эксплуатационных свойств чугунов.
Автор защищает;
— результаты термокинетического анализа и теоретической оценки
рациональных химического и фазового составов чугунов;
- результаты исследования особенностей бейнитного превращения в
графитизированных чугунах;
- разработанные составы бейнитно-аусферритных высокопрочных
чугунов и технологические процессы их получения;
- результаты исследования структуры, механических и триботехнических
свойств бейнитно-аусферритных чугунов.
Общая методика исследований в работе базируется на сочетании теоретических и экспериментальных методов исследований. Предварительные результаты получены путем анализа диаграмм изотермического распада аустенита. Эти данные использованы при планировании экспериментальных исследований, проводимых для проверки результатов теоретического анализа, определения особенностей структуры и свойств чугунов, окончательной корректировки их химического состава и режимов термической обработки отливок из них.
Достоверность полученных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием современных методов структурного анализа, а также соответствием расчетных данных результатам лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний.
Научная новизна состоит в получении ряда новых теоретических, экспериментальных и практических результатов в области создания и использования сплавов с заранее заданными свойствами:
- установлены особенности влияния легирующих элементов (кремния,
меди, молибдена и их сочетания) на бейнитную прокаливаемость
высокопрочного чугуна; при этом выявлен и учтен двойственный характер
влияния кремния, связанный с прямым легирующим действием и косвенным
влиянием через растворимость углерода в аустените;
- разработана схема промежуточного превращения, объясняющая
образование участков обедненного и обогащенного углеродом аустенита с
возможной стабилизацией последних и сохранением их в структуре термически
обработанных чугунов и сталей;
выявлены особенности промежуточного превращения в стабильно графитизированных чугунах с повышенным содержанием кремния, приводящие к формированию аусферритной структуры (структуры бескарбидного бейнита) как в чистом виде, так и в сочетании с обычным бейнитом;
разработаны состав бейнитно-аусферритного чугуна и способ его упрощенной термической обработки, защищенные патентом на изобретение.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
- разработаны конкретные составы чугунов с повышенными
механическими и триботехническими свойствами;
разработаны упрощенные и более экологичные технологические процессы термической обработки чугунов на бейнитную (бейнитно-аусферритную) структуру;
разработанные составы чугунов и технологические процессы их получения используются при изготовлении втулок гайковерта путеремонтной машины (ПМС-309 МЖД филиала ОАО "РЖД"), втулок поворотного кулака троллейбуса ЗИУ-682Г (ЗАО "Компания "Воронежский троллейбус"),
полушестерен и ножей шнеков экскаваторов ЭТР-201 (ООО "Строительная компания "Универсал").
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на региональных научно-технических конференциях "Вклад ученых и специалистов в национальную экономику" (Брянск, 2005, 2008), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Брянской государственной инженерно-технологической академии (Брянск 2007, 2008), на международной научно-технической конференции "Проблемы качества машин и их конкурентоспособности" (Брянск, 2008), на международной научно-практической конференции "Наука и производство -2009" (Брянск, 2009). На областном смотре-конкурсе работа удостоена диплома за вклад в инновационное развитие области и почетной грамотой победителя смотра-конкурса "За лучшее изобретение и рационализаторское предложение в 2008 году".
Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 работ, в том числе две в изданиях по списку ВАК, получен патент РФ на изобретения (№ 2307875).
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 173 наименований и приложения; она содержит 140 страниц текста, 48 рисунков, 14 таблиц и 7 страниц приложений.
Влияние химического состава на формировании структуры металлической матрицы в высокопрочном чугуне с шаровидным графитом
Все химические составляющие в чугуне с шаровидным графитом можно условно разделить на основные (Fe, С, Si, Mn, Р, S, Mg0CT), легирующие (Си, Ni, Mo, Cr, Ті и др.) и примесные (Pb, Bi, Те, О, Н, N и др.). Повышение содержания основных элементов (Mn, Si, Р) переводит их в категорию легирующих. Легирующие элементы оказывают на процессы структурообразования непосредственное влияние. Во-первых, ряд элементов образует химические соединения - карбиды, нитриды, силициды, которые упрочняют металлическую матрицу. Во-вторых, все элементы влияют на фазовые превращения, протекающие в твердом состоянии, многие из них повышают устойчивость аустенита при у- сс превращении, что позволяет получать в легированных чугунах бейнитные, мартенситные и аустенитные металлические матрицы непосредственно из литого состояния при охлаждении отливок в форме [105].
Углерод относится к основным химическим элементам графитизированных чугунов. Его содержание в чугуне определяет наличие высокоуглеродистой фазы (графита или цементита). При первичной кристаллизации с повышением количества углерода возрастает склонность чугуна к графитизации [32].
По данным Н.Г. Гиршовича, углерод задерживает изотермический распад аустенита при больших переохлаждениях в районе бейнитного превращения и ускоряет при малых [23]. Повышение температуры нагрева на аустенитизацию приводит к увеличению степени растворения углерода в аустените (что хорошо объясняется с помощью диаграммы Fe-C), и к снижению температуры начала мартенситного превращения (этот факт подробно описан М.Е. Блантером [10]).
Все процессы структурообразования в чугуне являются диффузионными, основную роль в них играет углерод, скорость диффузии которого определяет конечную структуру металлической матрицы чугуна с шаровидным графитом, как в литом состоянии, так и после термообработки [42].
Кремний, как и углерод, способствует процессам графитизации в чугунах. Большое влияние оказывает Si на положение точки эвтектики графитизированных чугунов на диаграмме Fe-C. Добавление в чугун 1 % Si сдвигает эту точку на 0,3 % С [115], что отражено в значении углеродного эквивалента С0 = С (%) +1/3 Si (%). При содержании в чугуне более 4 %, кремний легирует феррит, что приводит к повышению его твердости [32, 49].
На кинетику изотермического распада аустенита Si оказывает двойственное воздействие. Во-первых, он повышает устойчивость у-фазы в бейнитной (промежуточной) области [23]. Во-вторых, по данным А.А. Жукова [31, 171], кремний в чугуне со структурой аусферрита повышает содержание насыщенного углеродом аустенита до 30-40 % за счет предотвращения второй стадии бейнитного превращения (выделение карбидной фазы). Таким образом, Si оказывает положительное влияние на структуры, получаемые при изотермической закалке чугунов. По данным В.И. Литовка [52] в чугунах с шаровидным графитом, подверженным изотермической закалке, наиболее высокие механические свойства достигаются при содержании Si 3,6-3,8 %. Аналогичные результаты получены в работе [162]. Противоположную точку зрения имеет М.П. Шебатинов [116, 118], по его данным содержание Si в изотермически закаленном ЧШГ не должно превышать 3 %.
Марганец в противоположность кремнию уменьшает термодинамическую активность углерода [28, 52] и препятствует графитизации, стабилизируя цементит.
Марганец способствует перлитизации металлической матрицы, повышая тем самым прочностные свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Медленное затвердевание чугуна приводит к ликвации марганца по границам эвтектических зерен [137]. При содержании Мп 7 % [20] в отливках из высокопрочного чугуна формируется аустенитно-карбидная структура. Для получения таких структур отливки рекомендуется предварительно выбивать из формы при Твыб = 950-1000 С и их последующее охлаждение производить на воздухе или в воде.
Повышение содержания марганца в высокопрочном чугуне влечет за собой понижение температуры эвтектоидного превращения и как следствие расширение области существования у - раствора [23]. Из рис. 1.3 следует, что легирование чугуна с шаровидным графитом марганцем сдвигает кривые изотермического распада вправо в сторону повышения устойчивости аустенита в перлитной области и подавлению распада аустенита в бейнитной области. Ускоренное охлаждение, рекомендуемое для получения аустенитно-карбидной структуры высокопрочного чугуна, позволяет предотвратить перлитное превращение.
Французскими исследователями [128] выдвигалась гипотеза о том, что увеличение содержания марганца более 5 % сопровождается заменой перлита бейнитом и аустенитом с сокращением количества карбидов (их минимум соответствует 6 % Мп).
В связи с возросшим интересом к изотермически закаленному чугуну с шаровидным графитом за рубежом и в России проводились многочисленные исследования с целью замены дорогостоящих Ni и Мо марганцем [2, 6, 132, 159, 166]. Исследования показали, что ликвация марганца в структуре чугуна с шаровидным графитом по границам эвтектических зерен, по данным работ [132, 159], приводит к фиксации вторичного мартенсита и повышению хрупкости в отливках при эксплуатации, поэтому его содержание в изотермически закаленном чугуне с шаровидным графитом ограничивают 0,5%.
Анализируя влияние химического состава на процессы формирования структуры, отдельно необходимо отметить такие элементы, как сера и фосфор. Сера, вредный элемент в чугуне, образует сульфидные включения смешанного типа, (Мп, Fe)S [115]. При сфероидизирующей обработке расплава сера в первую очередь взаимодействует с Mg и редкоземельными металлами (РЗМ), образуя точечные и дисперсные дефекты (так называемые "черные пятна") [19, 61, 120].
Фосфор по своему влиянию в графитизированных чугунах также считается вредным элементом и обладает ограниченной растворимостью, при содержании его свыше 0,3 % в высокопрочном чугуне с шаровидным графитом формируется тройная фосфидная эвтектика, которая повышает хрупкость чугуна [51]. Но иногда для деталей, работающих в условиях повышенного износа, рекомендуется повышенное легирование фосфором с целью улучшения триботехнических свойств взаимодействующих поверхностей [115].
Обработка расплава чугуна с повышенным содержанием фосфора редкоземельными металлами (РЗМ) существенно изменяет морфологию фосфидной эвтектики [113, 117], в структуре образуются изолированные глобулярные фосфиды РЗМ. По некоторым данным [23] длительная выдержка чугуна при термообработке с Таус = 950 С также способствует коагуляции фосфидов.
Магний играет ведущую роль в процессах формообразования графитных включений. При модифицировании он дезактивирует вредные примеси (S, О), которые препятствуют сфероидизации графита [107]. Помимо основного воздействия магний косвенно влияет на структуру металлической матрицы. По данным Э.В. Захарченко и ряда других исследователей [25, 36, 141, 147], при остаточном содержании магния более 0,08 % происходит отбел чугуна и формируются карбиды типа Mg2C и Mg3C2- Недостаток модифицирования магнийсодержащими лигатурами заключается в том, что по истечению определенного промежутка времени их сфероидизирующий эффект исчезает, что объясняется испарением Mg [5, 36]. Поэтому для повышения "живучести" процесса модифицирования и улучшения микроструктуры чугуна с шаровидным графитом в отливках рекомендуется применять комплексные магниевые модификаторы с добавками РЗМ, которые нейтрализуют вредное воздействие элементов-деглобуляризаторов (Pb, As, Sb, Ті и др.) [40, 52, 116].
Испытания на износ и определение коэффициента трения
При испытаниях на износ, проводимых с целью определения триботехнических свойств чугунов — величины износа и коэффициента трения, использовались две методики. 1. Испытания на установке СМЦ-2. Использовались образцы цилиндрической формы диаметром 50 мм, контактирующие с контр-тел ом в форме сектора с длиной дуги контакта 19 мм при скорости скольжения 3,27 см/с (рис. 2.7). Система крепления контр-тела обеспечивала его устойчивое положение при испытаниях и приложение внешнего давления 2 МПа в центре контактной площади. Образцы испытывались по следующей схеме: в течение 30 минут проводились испытания, затем делался перерыв в течение 10 минут для охлаждения образцов. Этот цикл повторялся до достижения необходимой наработки.
В исходном состоянии поверхностей образцов и контр-тел определялись параметры шероховатости Ra. После лезвийной обработки, обеспечивающей регулярный рельеф поверхности, они составляли около 1,25 мкм. В процессе исследований образцов на трение контролировались следующие параметры: - момент трения, величина которого определялась с помощью динамометра машины трения СМЦ-2 и фиксировалась с помощью самописца; - коэффициент трения 2. Для сравнительного анализа влияния режимов термической обработки на механические и триботехнические свойства использовали метод триботехнических испытаний поверхностей цилиндрических образцов [83], который позволяет определять стойкость поверхностей к усталостному разрушению в условиях трения скольжения при граничной смазке (показатели износостойкости, антифрикционности и прирабатываемости). Сущность метода заключается в том, что при испытаниях с постоянной нагрузкой и скоростью скольжения к вращающейся испытуемой цилиндрической поверхности образца, погруженной в смазочной материал, прижимают неподвижный индентор; непрерывно синхронно регистрируют время испытания, коэффициент трения (или силу трения), линейный износ; повторяют испытания на новых участках трибоконтакта (или на идентичных образцах) при заданном времени и по их результатам определяют показатели триботехнических свойств. Для проведения испытаний использовалась конструкция блока нагружения, представленная на рис. 2.8 [83]. Блок нагружения монтировался на станине серийной машины трения МИ-1М без существенных изменений в ее конструкции.
Нагрузка на индентор прикладывалась путём вращения рукоятки 9 за счет сжатия пружины 8 через датчик нагрузки 7, промежуточный элемент 6 и перемещающийся по двум цилиндрическим направляющим подвижный элемент 5. В качестве датчика нагрузки в данной конструкции блока нагружения применялся тензодатчик. Измерение момента трения осуществлялось моментоизмерителем машины трения. Для регистрации поступающих с датчиков сигналов в течение всего времени испытания применялась компьютерная система сбора данных. Установка для испытаний должна обеспечивать: - прижатие подвижного образца и индентора с нормальной силой N=(60-860)±3% Н, жесткую фиксацию индентора в направлении вращения образца и его самоустановку на испытуемой поверхности с обеспечением предельной погрешности установления максимального контактного давления по Герцу ДРа=±5%; - частоту вращения образца п=400±4% мин-1 для обеспечения скорости скольжения при испытании V=l м/с; - радиальное биение испытуемой поверхности образца не более 0,05 мм; - непрерывную синхронную регистрацию времени испытания t, с, погрешностью не более 1 %, силы трения F с погрешностью не более 3%, линейного сближения образца и индентора в результате износа h с погрешностью не более 0,25 мкм с частотой регистрации указанных параметров не менее 1 измерения в минуту.
Анализ влияния структурных факторов на триботехнические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
Коэффициент трения и интенсивность изнашивания поверхностей в значительной мере зависят от структуры контактирующих участков. В связи с этим желательно, чтобы с целью уменьшения адгезии эти участки на контактирующих поверхностях были разнородными по структуре, оптимальными по занимаемой площади и механическим свойствам. С уменьшением площади фактического контакта уменьшается величина эффективного коэффициента трения, но при слишком малой площади эти участки могут деформироваться и разрушаться с выбросом в "третье тело" образующихся абразивных частиц, что особенно опасно в условиях повышенных контактных нагрузок. При таком режиме работы разрушение выступающих участков приводит к увеличению фактической поверхности трения, следствием чего являются повышение эффективного коэффициента трения и увеличение интенсивности изнашивания. Чем выше механические свойства материала контактирующих участков поверхностей, тем больше допускаемые контактные нагрузки и тем выше износостойкость поверхностей трущейся пары. При этом важнейшими механическими характеристиками являются твёрдость, коррелирующая с ней контактная прочность, а также ударная вязкость, достаточные значения которой предотвращают хрупкое разрушение материала контактирующих участков.
В связи с изложенным понятно, что на поверхностях трения целесообразно обеспечивать структуру, имеющую композиционный характер, частным случаем которого является соответствие известному правилу Шарли [33]. При таком характере структуры на поверхности трения создаётся микрорельеф, обеспечивающий ограничение площади фактического контакта, а также рациональное размещение продуктов износа ("третьего тела") с хорошим удержанием их во впадинах микрорельефа.
Микроструктура графитизированных антифрикционных чугунов в значительной степени соответствует предъявляемым требованиям. Графитные включения, находящиеся в структуре таких чугунов, выполняют на поверхностях трения роль твёрдой смазки и антизадирной составляющей, способствуют хорошему удержанию смазочных масел, а также обеспечивают высокую теплопроводность, что создает нормальные тепловые условия работы узла трения. Выкрашиваясь, они вместе с другими продуктами износа составляют так называемое "третье тело", разделяющее трущиеся поверхности и в значительной мере предотвращающие процессы схватывания на участках трущихся поверхностей.
Антифрикционные свойства чугунов могут быть улучшены путём дополнительного армирования микроструктуры с созданием более грубого микрорельефа. В табл. 3.2 сопоставлены некоторые свойства различных фаз, которые можно использовать для армирования микроструктуры чугунов, приведенные по данным [87, 89, 105]. Анализ этих данных позволяет провести предварительную оценку работоспособности в условиях трения для структур с различным сочетанием фаз. Наиболее высокими прочностными свойствами и твёрдостью (а также модулем упругости, не приведенным в табл. 3.2) обладают карбиды типа МС (например, VC и ТІС) и М7Сз (например, Сг7Сз). Наличие этих карбидных фаз в структуре чугуна может обеспечить и повышение соответствующих общих свойств самого сплава, что должно проявиться также в особенностях микроструктуры (образование микрорельефа на поверхности трения) и в улучшении триботехнических характеристик сплава.
Работоспособность сплава в условиях трения зависит от теплоёмкости и теплопроводности структурных составляющих и сплава в целом. Высокая теплоёмкость позволяет в значительной мере аккумулировать энергию трения в виде выделяющейся теплоты без резкого повышения температуры на контактирующих поверхностях.
Если выступающими участками в микрорельефе поверхности чугунной детали являются карбидные включения, то они по-разному (в зависимости от типа карбидов) аккумулируют энергию трения. Наибольшей теплоёмкостью обладают карбиды хрома Сг7Сз и соответствующие им по кристаллическому строению комплексные карбиды М7Сз- Поэтому разогрев трущихся поверхностей, особенно в период приработки, должен быть минимальным в случае наличия достаточного количества карбидов М7Сз в структуре чугуна.
Очень высокой теплоёмкостью обладает графит. Поэтому, если в составе "третьего тела" находится достаточно много графита, то такая прослойка обладает высокой теплоаккумулирующей способностью, т.е. значительно снижает опасность разогрева трущихся поверхностей. Таким образом, графит на поверхности трения и в составе "третьего тела" играет ещё одну важную роль - роль аккумулятора тепла, - т.е. графит является очень эффективной многофункциональной твёрдой смазкой.
Что касается металлических фаз, находящихся в структуре сплавов на трущихся поверхностях (например, феррит, медистая фаза), то продукты их износа обладают сравнительно малой теплоёмкостью и снижают общую теплоаккумулирующую способность "третьего тела".
Влияние термической обработки на структуру и механические свойства бейнитно-аусферритного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
Анализ литературных данных выявил, что получение бейнитной структуры в высокопрочном чугуне с шаровидным графитом применяются различные режимы одного из видов термической обработки - изотермической закалки (п. 1.5,3). Изотермическая закалка состоит из двух процессов: аустенитизации и распада аустенита в изотермических условиях.
Следовательно, основными параметрами режима изотермической закалки являются: температуры и время выдержки в обеих этих операциях.
Для высокопрочного чугуна может быть выбрана как полная, так и частичная аустенитизация. В этом случае выбор температуры закалки будет связан с положением точек AaH и АС]К, то есть с величиной критического интервала (см. рис. 1.5). Положение критических точек чугунов зависит как от их химического состава, так и от исходной микроструктуры отливок.
Известно, что на критический интервал чугуна одного и того же состава существенное влияние оказывает соотношение в литой структуре феррита и перлита [13].
Лабораторные исследования показали, что увеличение в исходной структуре чугуна ферритной составляющей приводит к повышению температур точек АС1Н и АС1К и расширению критического интервала. Принимаемая в производственных режимах выдержка при температуре закалки (до 2 ч.), не обеспечивает полную гомогенизацию аустенита, то есть не позволяют достигнуть фазового и концентрационного равновесия в чугунах с различной исходной структурой.
Чем больше в исходной структуре феррита, тем либо выше должна быть принята температура аустенитизации (при данной выдержке), либо увеличена продолжительность выдержки (при данной температуре). Во избежание необходимости проведения такого рода корреляции температуры закалки по исходному структурному состоянию, там, где это возможно перед изотермической закалкой следует осуществить нормализацию отливок. Тогда, вне зависимости от условий образования литой структуры, в различных сечениях отливки будет достигнут усредненный результат, как по химическому составу фаз, так и по их распределению.
На практике температура аустенитизации находится в интервале 850 -920 С и оказывает существенное влияние на структуру и свойства бейнитного чугуна: при ее понижении в матрице остается феррит, что уменьшает твердость чугуна, повышение температуры аустенитизации более 950 С способствует растворению карбидов и также ведет к снижению твердости. Для выбора оптимальных параметров изотермической выдержки проводился ряд экспериментов, устанавливающих взаимосвязь со свойствами чугунов.
На рис. 4.4 и 4.5 представлены данные о механических свойствах бейнитных высокопрочных чугунов после изотермической обработки. Легко заметить, что благоприятными в части удачного сочетания характеристик прочности и вязкости оказываются изотермы 300-350 С.
При промежуточном превращении в этом районе температур в основной бейнитной структуре чугунов остается повышенное количество аустенита. Наличие в структуре изотермически обработанных отливок больших количеств аустенита придает им высокие характеристики вязкости. Мартенситный же характер бейнита (рис. 4.6) обеспечивает повышенные значения прочности и твердости.
Уровень механических свойств чугунов после изотермической закалки может колебаться в зависимости от исходной структуры отливок.
Важно отметить, что рост количества ферритной составляющей в литой структуре отливок сопровождается повышением значений вязкости чугуна после закалки. При определенных сочетаниях в исходной структуре чугуна феррита и перлита оказывается возможным получить после изотермической обработки такие высокие значения ударной вязкости, которые не достигаются другими видами термической обработки [13].
Продолжительность изотермической выдержки также имеет значение для процесса формирования структуры и свойств чугунов. При малых выдержках изотермически закаленные чугуны характеризуются повышенными значениями прочности и твердости, а при больших - высокой вязкостью и пластичностью. Это обстоятельство связано с тем, что относительно кратковременным выдержкам при изотермах соответствуют небольшая степень бейнитного превращения. При охлаждений до комнатных температур большая часть нераспавшегося аустенита претерпевает мартенситноё превращение. Затухание бейнитного превращения в чугунах, сопровождающееся частичной или полной стабилизацией аустенита, отмечается после 1,5-2 часов выдержки.
Для исследования влияния температуры и продолжительности изотермической выдержки на структуру и механические свойства бейнитного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом на образцах чугуна химического состава 8 (табл. 2.1) проводилась изотермическая закалка, состоящая из аустенитизации при 900 С, кратковременного замачивания (3-4 сек.) и изотермической выдержки при температурах 250, 300, 350 и 400 С, продолжительностью 1,5-4,5 ч (рис. 4.7).
