Влияние режима термической обработки стали 110Г13Л на ее структуру и ударную вязкость :: Литейные технологии

    

 
Разделы сайта
Статьи
Информация

Влияние режима термической обработки стали 110Г13Л на ее структуру и ударную вязкость

Рассматриваемые детали, изготовленные из стали 110Г13Л, при нормальных условиях эксплуатации работают до допустимого износа. Наличие дефектов, несоответствующая структура стали, ее низкие механические свойства приводят к поломке детали и к понижению ее стойкости в несколько раз, а иногда в десятки раз. Одним из обязательных условий предотвращения поломок деталей является высокая ударная вязкость стали, которая достигается правильной термической обработкой. Структура литой стали 110Г13Л до термической обработки состоит из аустенита и карбидов (фиг. 4). Такая сталь обладает низкой ударной вязкостью и не может применяться для деталей, работающих в условиях значительных удельных давлений и ударных нагрузок.

При закалке стали структура становится полностью аустенитная (фиг. 5), резко повышаются механические свойства стали. Низкая температура нагрева стали под закалку, недостаточная выдержка ее при температуре нагрева приводят к неполному растворению карбидов, и механические свойства не достигают требуемых значений.

Очень высокая температура нагрева стали под закалку, чрезмерно длительная выдержка ее при температуре нагрева приводят к росту зерна стали и ухудшению ее вязкости. Медленная скорость охлаждения при закалке приводит к некоторому выделению карбидов из аустенита и к понижению свойств стали. Повышенная, но недостаточно большая скорость охлаждения позволяет предотвратить выделение крупных карбидов. Но при такой скорости на границах зерен выделяются очень мелкие карбиды, заметные под микроскопом лишь в виде толстых границ зерен (фиг. 6).

Такие границы резко понижают пластические свойства стали и при работе детали в условиях значительных напряжений приводят к поломке, которая происходит обычно после некоторого периода эксплуатации, когда деталь частично износится.

Влияние перечисленных факторов на качество стали изучалось в лабораторных условиях. Для этой цели был использован металл производственной плавки, проведенной в электропечи емкостью 6 т по существующему технологическому процессу.

Химический состав стали в %: 1,12 С; 0,92 Si; 12,60 Мп; 0,092 Р; 0,014 S; 0,37 Сr.

При заливке этого металла в формы одновременно были залиты стандартные пробы для механических испытаний размерами 200x150x45 мм. После обрезки прибыльной части отдельные пробы были разрезаны пополам, а из нижней части остальных проб вырезали заготовки для ударных образцов размерами 20x20x60 мм. Всего было нарезано 57 заготовок для образцов и 18 половинок проб. Их разделили на 19 равных групп, по 3 заготовки и одной половинке пробы. Каждую группу подвергли закалке по специальному режиму. Во всех случаях металл нагревали в печи до температуры 600 °С, выдерживали при этой температуре 1 ч, нагревали до температуры нагрева под закалку. Для каждой группы образцов была своя температура нагрева стали под закалку, продолжительность выдержки ее при температуре нагрева и температура воды, в которой закаливалась сталь.

Температура нагрева под закалку. Первые шесть партий образцов были использованы для определения влияния температуры нагрева стали под закалку на ее структуру и свойства. Для этой цели заготовки для образцов и половинки проб отдельными группами были нагреты до температур 900, 950, 980, 1100 и 1150 °С. Выдержка образцов при этих температурах была 3 ч, и все образцы закаливали в воде с температурой 20 °С.

Из заготовок и половинок проб изготовили ударные образцы, определили ударную вязкость и микроструктуру стали. После закалки от температуры 900 и 950 °С основная структура стали — аустенит, но на значительной части границ имеются относительно крупные выделения карбидов, вокруг которых разбросаны мелкие карбиды (фиг. 7). С повышением темпера

туры закалки до 980 °С мелкие карбиды исчезают, крупные уменьшаются в размерах и остаются лишь в небольшом количестве в тех участках границ зерен, где были расположены наиболее крупные карбиды.

В структуре стали, закаленной от 1000°С, карбидов нет, но в отдельных зернах и особенно на их границах наблюдаются полости — места расположения карбидов до их растворения. При закалке от 1100 °С структура — чистый аустенит, карбидов нет и на границах зерен имеются полости в местах залегания бывших крупных карбидов (фиг. 8). При дальнейшем повышении температуры нагрева до 1150 °С в структуре не происходит изменений. В отдельных участках шлифа наблюдается тенденция к росту зерна. Из рассмотрения структуры можно заключить, что интервал температур нагрева образцов под закалку 1050—1100 °С обеспечивает полностью аустенитную структуру стали.

Из приведенных данных видно, что с повышением температуры нагрева стали под закалку, в соответствии с изменением структуры, повышается ее ударная вязкость и понижается твердость. При температурах нагрева 900—950 °С на кромках проб карбиды успевают раствориться и ударная вязкость стали в отдельных случаях достаточно высокая. Но в средние сечения пробы карбиды сохраняются, поэтому средние свойства металла, нагретого под закалку до этих температур, значительно ниже, чем нагретых до более высоких температур.

Оптимальным интервалом температуры нагрева под закалку является 1050—1100 °С. Однако с увеличением толщины тела закаливаемой детали увеличиваются размеры карбидов и затрудняется их растворение, поэтому для производственных деталей с толстыми стенками наиболее рациональной температурой нагрева нужно считать 1100°С.

Фиг. 7. Структура стали 110Г13Л, закаленной от 900°С— аусченит, крупные и мелкие карбиды. Х300.

Фиг. 8. Структура стали 110Г13Л — аустенит, отдельные углубления, следы рас творившихся карбидов.

Х300.

Продолжительность выдержки при нагреве под закалку.

Влияние продолжительности выдержки стали при температуре нагрева под закалку изучалось только при одной наиболее оптимальной температуре 1100°С. Описанные выше заготовки для 18 образцов и шести половинок проб были подвергнуты термической обработке по режимам:

посадка в печь при 600 °С; выдержка при 600 °С—1 ч; нагрев до 1100°С, выдержка для разных образцов 1, 2, 3, 4, 5 и 6 ч.

Микроструктура стали всех образцов, обработанных по приведенным режимам, — аустенит с относительно тонкими границами зерен и со следами полностью растворившихся карбидов. Разницы в размерах зерен у образцов, выдержанных при температуре нагрева 1 и 6 ч, а также у образцов с промежуточными выдержками не обнаружено. Результаты испытаний ударной вязкости и твердости (средние для трех образцов) приводятся в табл. 12.

Ударная вязкость и твердость стали, термически обработанной в исследованных пределах, не зависит от продолжительности выдержки ее при температуре нагрева под закалку 1100 °с.

Температура воды при закалке. Для определения влияния температуры охлаждающей среды была взята партия образцов по описанному выше способу и группами подвергнута закалке по следующему режиму: посадка в печь при 600 °С, выдержка при этой температуре 1 ч, нагрев до 1100 °С, выдержка 3 ч, охлаждение в воде.

Температура воды для каждых трех образцов и одной половинки пробы была 5, 15, 30, 40, 50, 60 и 70 °С.

После термической обработки были изготовлены образцы, испытана ударная вязкость и определена микроструктура. Структура стали во всех случаях — аустенит с тонкими границами зерен и со следами полностью растворившихся карбидов.

Никаких отличий в структуре образцов, закаленных в воде с температурой 5 и 60 °С, не обнаружено. Не наблюдается разницы также в значении твердости и ударной вязкости стали (табл. 13).

Таким образом при малых размерах образцов и большем количестве воды, приходящейся на единицу веса закаливаемого металла, температура воды в исследованных пределах не влияет на структуру и ударную вязкость стали. Во всех случаях сталь охлаждается с достаточно большой скоростью.

Температура воды будет оказывать влияние тем больше, чем меньше будет ее объем, приходящийся на единицу веса закаливаемой стали. Поэтому закаливающую способность ванны нужно оценивать не только по начальной температуре воды. Определять ее по количеству воды на единицу веса закаливаемого металла также недостаточно надежно, потому что в процессе закалки происходит циркуляция воды, интенсивность которой сильно колеблется в зависимости от давления в сети и других факторов.

Наиболее правильным и надежным критерием оценки закаливающей способности воды является абсолютная скорость охлаждения детали при закалке. Очень маленький образец можно хорошо закалить и в кипящей воде, а очень крупную деталь не удается обработать полностью на аустенитную структуру даже в воде с температурой 0 СС, если не созданы условия для охлаждения ее со скоростью не ниже критической, при которой из аустенита начинают выделяться карбиды.

Таблица 13

Зависимость ударной вязкости и твердости стали от температуры воды при закалке

Скорость охлаждения при закалке. Зависимость микроструктуры, ударной вязкости и твердости стали 110Г13Л от скорости охлаждения в воде при закалке изучалась на зубьях ковша экскаватора ЭКГ-4, имеющих большую разницу в толщине стенки по длине детали.

Отливали по два зуба в одной опоке и термически обрабатывали их вместе с прибылями. Химический состав стали приводится в табл. 14.

Все опытные зубья были уложены в печь для нагрева в одну садку. На одном поддоне было уложено 32 зуба, в том числе опытные зубья 3 и 4, по схеме на фиг. 9.

На другом поддоне было таксе же количество зубьев и среди них опытные зубья 5 и 6. Для улучшения циркуляции воды между зубьями они были уложены менее плотно (по схеме на фиг. 10). На верху этого поддона были уложены опытные зубья. Детали термически обработаны по существующему режиму для первой группы отливок: посадка в печь при температуре 600 С, выдержка при 600 С — 2 ч; нагрев до 1050— 1100 °С; выдержка при 1050—1200 СС — 2 ч закалка в холодной проточной воде.

Опытные зубья обозначены номерами. Нагретые зубья 1 и 2 были закалены в воде с температурой 7 °С отдельно от других деталей. Позднее зуб 1 в другой садке повторно был обработан по такому же режиму и также закален в воде отдельно от других деталей.

Зубья 3 и 4, а также 5 и 6 закаливались в разных баках вместе с другими зубьями, уложенными на этих поддонах. Вес деталей с поддоном, одновременно погруженных в закалочную ванну, составил 10 т. Количество воды в закалочном баке, приходящейся на единицу веса охлаждаемого металла, было в одном случае 4,2 м/т, в другом — 5,6 m/t.

При закалке в бакс толь г о двух зубьев на 1 г охлаждаемого металла приходится 117 M воды. Во время закалки определялась продолжительность охлаждения и температура воды. Зубья 1, 2, 3, 5 были разрезаны по схеме на фиг. 11 и из каждого зуба вырезаны четыре равных по длине темп лет а (1—IV), из которых по средней плоскости зуба вырезались

образцы для определения ударной вязкости, макро - и микроструктуры и твердости.

Металл зубьев плотный (фиг. 12), микроструктура стали — аустенит. У зубьев 1 и 2 границы зерен очень тонкие, у зубьев 3 и 5 очень толстые и в отдельных участках имеются карбиды. Микроструктура зуба определялась на темплете IV на расстоянии 360 мм от его вершины. Структура изучалась по всему поперечному сечению. Микроструктура зуба 2, закаленного без поддона, по всему сечению детали — аустенит, карбидов не обнаружено.

Однако сравнение структуры у поверхности детали и в центральном сечении показывает, что толщина границ зерен у поверхности несколько меньше, чем в центральной части. Утолщенные границы в центре сечения зуба напоминают пунктирную линию, в которой точками представлены мелкие карбиды. Таким же методом в том же сечении определена микроструктура зуба 3, закаленного вместе с другими деталями и с поддоном.

На поверхности зуба структура — аустенит, карбидов нет (фиг. 13). Несколько дальше в отдельных участках наблюдаются утолщенные границы зерен и отдельные мелкие карбиды. По мере удаления от поверхности количество утолщенных границ увеличивается и в центральном сечении зуба большинство из них имеет значительно большую толщину по сравнению с нормальной. Карбиды появляются в структуре на расстоянии 30 мм от поверхности детали. Их количество и размеры увеличиваются по мере удаления от поверхности. В отдельных участках карбиды расположены по границам зерен, в других — в самом зерне.

Излом ударных образцов от зуба 1 и 2 мелкозернистый, матовый, а излом таких же образцов от зуба 3 крупнозернистый с сохранившимися следами транскристаллического строения. Ударная вязкость стали понижается по мере удаления от вершины зуба к его толстой части.

Если принять значение ударной вязкости в вершине зуба, закаленного один раз без поддона, за единицу, то в вершине зубьев, закаленных один раз с поддоном, она составляет 57 и 47%. Отношение значений ударной вязкости в самой толстой части зуба к значениям ударной вязкости в самой тонкой части Для зуба, закаленного один раз без поддона, составляет 97%, а для зубьев, закаленных один раз с поддоном,—-25 и 29%.

Медленная скорость охлаждения отливок из стали 110Г13Л при Скалке приводит к выделению карбидов по границам зерен и внутри цх. Мелкие карбиды на границах зерен приводят охрупчиванию стали, значительно понижая ее ударную вязкость. С увеличением толщины стенки отливки скорость

охлаждения ее средней части понижается и охрупчивание интенсивно увеличивается. Мелкие карбиды на границах зерен не заметны при небольшом (100—200) увеличении и частично видны при большом (300—500).

Излом стали с толстыми границами зерен проходит по этим границам и по внешнему виду напоминает камневидный.

В отличие от углеродистых и низколегированных сталей, у которых при камневидном строении излом идет по общим границам группы зерен, у стали 110Г13Л он идет по границам отдельных зерен. Отдельные «камни» очень мелкие и невооруженным глазом незаметны, но хорошо видны в бинокулярный микроскоп.

Повторная закалка зуба без поддона не улучшила свойств металла, следовательно, сталь Г'13Л можно вполне качественно термически обрабатывать за один раз.

С понижением скорости охлаждения детали при закалке твердость стали повышается, но незначительно, а абсолютное значение твердости во всех случаях находится в пределах, указанных в технических условиях. Следовательно, твердость стали не отражает ее фактических свойств и не может рассматриваться как показатель правильности термической обработки. За критерий оценки качества термообработки можно примять скорость охлаждения детали в воде от температуры 1050—1100 °С до полного охлаждения.

Согласно проведенным опытам средняя скорость охлаждения детали в указанном интервале температур 30 мин обеспечивает аустенитную структуру с тонкими границами зерен по всему сечению детали толщиной 200 мм.

С понижением скорости охлаждения ударная вязкость стали снижается и при скорости 22°/мин уменьшается в несколько раз. Наиболее надежным способом контроля качества термически обработанной стали нужно считать определение ее ударной вязкости.


Комментарии: 0

Ваше имя *
Ваш Email *

Сумма цифр справа: код подтверждения

Главная » Статьи » Отливки из стали 110Г13Л » Влияние режима термической обработки стали 110Г13Л на ее структуру и ударную вязкость
Порекомендовать
Добавить в закладки