Спосіб термічної обробки відливків із високохромистого комплексно-легованого чавуну

Реферат: Спосіб термічної обробки відливків з високохромистого комплексно-легованого чавуну включає нагрів, витримку, охолодження та відпуск. Нагрів виконують в окислювальній атмосфері при 1000-1200 °C з витримкою впродовж 4-10 год., потім знижують температуру на 30-60 °C нижче температури максимальної швидкості виділення вторинних карбідів з первородного аустеніту та витримують впродовж 2-4 год. UA 101325 U (12) UA 101325 U UA 101325 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до машинобудівної та металургійної галузей промисловості, зокрема до термічної обробки відливків із високохромистого чавуну, який вміщує не менше 2,5 % вуглецю, 10-25 % Сr, не вище 1,5 % кремнію та 2-6 % сумарно Mn, Ni, Mo, Cu. З високохромистих чавунів виготовляють металовироби, що експлуатуються в умовах інтенсивного абразивного, корозійно-абразивного, ерозійного та інших видів зношування. Чавунні відливки використовують після термічної обробки, яка підвищує їх твердість та зносостійкість. Чавуни з означеним вище хімічним складом в литому стані мають структуру, яка складається з евтектичних карбідів хрому та первородного (первинного) аустеніту. Їх термообробка зазвичай проводиться шляхом нагріву в аустенітну область (900-950 °C) [1], витримки при цій температурі та охолодження в маслі чи на повітрі. При нагріві відбувається виділення вторинних карбідів хрому з первородного аустеніту, внаслідок чого аустеніт збіднюється вуглецем і хромом і підвищується його мартенситна точка Мн. При наступному охолодженні збіднений аустеніт перетворюється в мартенсит, що призводить до значного зростання твердості та зносостійкості чавуну. Повнота збіднення аустеніту залежить від повноти виділення вторинних карбідів, тому температура витримки повинна відповідати максимальній швидкості формування карбідів [2]. Після такої обробки, яка є по суті загартуванням, виконується низький відпуск для зняття гартувальних напруг. Найбільш близьким аналогом до пропонованої корисної моделі є спосіб зміцнювальної термічної обробки, а саме: нагрів до 950 °C, витримка 3 години, охолодження в маслі, низький відпуск при 180 °C (2 години) [3]. Така термообробка забезпечує в відливках високий рівень твердості (вище 60 HRC) та зносостійкості. Використання такого та подібних режимів є доцільним по відношенню до відливків, які не проходять механічну обробку. Втім, певна кількість виробів з високохромистого чавуну після термічної обробки потребує чистової механічної обробки різанням. Загартований високохромистий чавун має дуже низьку здатність до оброблення різанням звичайним твердосплавним інструментом в зв'язку з високою загальною твердістю чавуну (55-65 HRC), а також в зв'язку з наявністю в його структурі великої кількості твердих включень спеціальних карбідів хрому. Це ускладнює технологічний процес обробки виробів, оскільки потребує використання дорогих спеціальних інструментальних матеріалів. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалити спосіб термічної обробки відливків із високохромистого комплексно-легованого чавуну, в якому зміна режиму термообробки дозволить підвищити оброблюваність загартованого чавуну різанням за рахунок утворення зневуглецьованого поверхневого шару повної товщини, який матиме знижену твердість та зменшену кількістю карбідної фази в структурі. Поставлена задача вирішується тим, що запропонований спосіб, який, на відміну від відомого, включає нагрів, витримку, охолодження та відпуск, при цьому нагрів виконують в окислювальній атмосфері до 1000-1200 °C, витримують впродовж 4-10 год., потім знижують температуру на 30-60 °C нижче температури максимальної швидкості виділення вторинних карбідів з первородного аустеніту та витримують впродовж 2-4 год. Запропоновані зміни режиму призведуть до поліпшення оброблюваності різанням відливків зі загартованого чавуну, оскільки на їх поверхні утвориться зневуглецьований шар товщиною до 3 мм. Дослідженнями авторів встановлено, що в чавунах, які вміщують не вище 25 % хрому, не вище 1,5 % кремнію та не менше 2,5 % вуглецю, нагрів в окислювальній атмосфері (в атмосфері повітря) при 1000-1200 °C призводить до досить інтенсивного окислення та зневуглецювання поверхні. Результатом зневуглецювання є розчинення вторинних та евтектичних карбідів, внаслідок чого формується приповерхнева зона, практично вільна від карбідної фази. Крім того знижується кількість вуглецю в металевій матриці. Загальна кількість вуглецю у зневуглецьованому шарі стає нижчою ніж 2,0 %. При розчиненні хромистих карбідів хром залишається в металевій матриці, внаслідок чого в ній формується не аустенітна чи мартенситна, а феритна структура, найбільш сприятлива при обробці різанням. Описані структурні зміни призводять до зменшення твердості в поверхневому шарі, який підлягає видаленню при чистовому різанні. Глибина такого зневуглецьованого шару може змінюватися в залежності від температури та часу витримки в заявлених межах. Таким чином, після термообробки за запропонованим режимом на поверхні сформується шар зі зниженою до 25-30 HRC твердістю (що відповідає задовільній оброблюваності різанням), під яким буде залягати основний метал з високою твердістю. Під час чистової механічної обробки зневуглецьований шар буде видалено, тобто поверхня готової деталі матиме високі властивості (твердість і зносостійкість), необхідні для надійної експлуатації деталі. Температура нагріву повинна бути в межах 1000-1200 °C. При температурі нижче 1000 °C чавун має високу здатність протистояти зневуглецюванню, а тому на поверхні не утвориться 1 UA 101325 U 5 10 15 20 25 30 35 40 шар пониженої твердості. При температурах вище 1200 °C можливим є оплавлення поверхні відливків, що є неприпустимим. Час витримки при зневуглецюванні повинен становити 4-10 год. Витримка, менша за 4 год., не забезпечить необхідного ступеня зневуглецювання, тому твердість поверхні буде підвищена, а оброблюваність різанням - понижена. Витримка, більша за 10 год., не є доцільною, оскільки глибина зневуглецьованого шару буде більшою, аніж це потребується при чистовій обробці різанням, тобто в готовому виробі після чистового різання твердість поверхні не досягне максимального значення. Під зневуглецьованим шаром знаходиться основний метал з високою твердістю та зносостійкістю. Такі властивості основного металу досягаються тим, що після витримки при 1000-1200 °C (яка необхідна для зневуглецювання), згідно з корисною моделлю виконується витримка при температурі, яка на 30-60 °C нижче кінетичного максимуму виділення вторинних карбідів з первородного аустеніту. При цьому найбільш повно виділяються карбіди із аустеніту і досягаються умови для максимального підвищення твердості та зносостійкості чавуну. Необхідність витримки при температурі, що є нижчою на 30-60 °C від кінетичного максимуму виділення вторинних карбідів, пояснюється тим, що в процесі витримки при 1000-1200 °C аустеніт значно стабілізується, а тому змінюються термокінетичні параметри виділення з нього карбідів у порівнянні із первородним аустенітом, який не піддавався такій стабілізації. Якщо проводити наступну витримку при температурі, меншій, аніж заявлена межа, то вторинні карбіди виділяються не повною мірою, наслідком чого є понижена твердість чавуну. Час витримки при цій температурі повинен становити 2-4 год. При меншій витримці вторинні карбіди виділяться з аустеніту не повною мірою, при витримці більше 4 год. починається коагуляція та сфероідизація карбідів. В обох випадках це призводить до зниження твердості чавуну. Приклад реалізації запропонованого способу. Використовували чавун лабораторної виплавки такого хімічного складу: 3,15 % С, 0,90 % Si, 15,70 % Сr, 3,95 % Мn. Попередньо проведеними дослідженнями було встановлено, що максимальна швидкість виділення вторинних карбідів з литого аустеніту даного чавуну відповідає 950 °C [4], тобто другу стадію нагріву проводили при 890-920 °C. Зразки чавуну розміром 10 × 20 × 20 мм піддавали зневуглецюванню в термічній обробці в муфельній електропечі в атмосфері повітря, після чого температура печі знижувалась до температури другої стадії витримки із відповідною витримкою. Після завершення другої стадії витримки зразки охолоджували в маслі, після чого піддавали відпуску при 200 °C впродовж 2 год. Режими термообробки наведено в табл. 1. Зразки цього ж чавуну піддавали термічній обробці за відомим режимом: нагрів при 950 °C (витримка 3 год.), загартування в маслі, відпуск при 180 °C (2 год.). На термооброблених зразках заміряли твердість поверхні (за методом Роквела), а також металографічним методом визначали глибину зневуглецювання поверхні. За повну глибину зневуглецювання приймали відстань від поверхні, на якій середня кількість евтектичних карбідів була на 5 % менше від середньої кількості евтектичних карбідів всередині зразку. Результати вимірювань наведені у таблиці. Таблиця Режими термообробки та результати випробувань зразків чавуну Перша стадія Друга стадія нагріву Твердість, HRC Глибина нагріву № режиму зневуглет-ра, витримка, т-ра, витримка, на за межами зони цювання, мм °C год. °C год. поверхні зневуглецювання 1 1000 4 890 230,0 63,5 1,8 2 1200 10 920 4 25,0 64 2,5 3 1100 6 905 3 28,5 64,5 2,9 4 970 3 850 1,5 64,0 63,5 0,2 5 1250 12 950 6 58,0 57,5 оплавлення Відомий 950 3,0 63,5 63,0 0,1 45 Результати, наведені в таблиці, показують, що коли параметри режиму знаходяться в межах, що заявляються (режими №№ 1-3), то на поверхні досягається мінімальна твердість (2530 HRC) при глибині зневуглецювання 1,8-2,9 мм, при тому, що за межами зневуглецьованої 2 UA 101325 U 5 10 15 20 25 зони твердість сягає високих значень (63,5-64,5 HRC). Якщо параметри лежать нижче заявлених меж, то це призводить до різкого зменшення глибини зневуглецювання з відповідним збільшенням твердості поверхні до 59-64 HRC. У випадку підвищення температури першої та другої стадій вище заявлених меж було зафіксоване часткове оплавлення зразків і зниження твердості основного металу. Таким чином, реалізація режимів, що відповідають заявленим межам, дає можливість отримати на поверхні зразків шар з пониженою твердістю, достатньою для задовільної оброблюваності різанням, під яким залягає основний метал з високою твердістю (63,5-64,5 HRC), що відповідає поставленій задачі корисної моделі. Джерела, прийняті до уваги при складанні заявки: 1. Жуков А.А., Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов / А.А. Жуков, Г.И. Сильман, М.С. Фрольцов. - М: Машиностроение, 1984. - 104 с. 2. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства / И.И. Цыпин. - М.: Металлургия, 1983. - 176 с. 3. Китайгора Н.И. Износостойкие лопасти дробеметных аппаратов / Н.И. Китайгора, А.К. Кисляков // Литейное производство. - 1968. - № 11. - С. 39-40. 4. Efremenko V. Effect of Destabilizing Heat Treatment on Solid-State Phase Transformation in High-Chromium Cast Irons / V. Efremenko, K. Shimizu, Yu. Chabak // Metallurgical and Materials Transaction A. - 2013. - Volume 44 A. - P. 5434-5446. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб термічної обробки відливків з високохромистого комплексно-легованого чавуну, що включає нагрів, витримку, охолодження та відпуск, який відрізняється тим, що нагрів виконують в окислювальній атмосфері при 1000-1200 °C з витримкою впродовж 4-10 год., потім знижують температуру на 30-60 °C нижче температури максимальної швидкості виділення вторинних карбідів з первородного аустеніту та витримують впродовж 2-4 год. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3