СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ И ЧУГУНЕ ПРИ НАГРЕВЕ

Написал admin 16 августа 2009 07:56пп

Качество нагрева при термической обработке определяется степенью завершенности фазовых превращений в металлах и сплавах. Для углеродистой стали к таким процессам относятся превращения эвтектоида (перлита) в аустеиит, превращение структурно свободного феррита в доэвтектондных сталях и растворение избыточных карбидов в заэвтектондиой стали. Рассмотрим влияние быстрого индукционного нагрева на кинетику протекания этих процессов.

Состав фаз в углеродистой стали при различных уровнях температуры и характер фазовых переходов определяются диаграммой состояния сплавов железа с углеродом (см. рис. 1.1) Из диаграммы видно, что перлит, представляющий собою эвтектоидную смесь двух фаз (феррита и цементита), при нагреве до температуры, обозначенной на диаграмме ль начинает превращаться в аустенит. В реальных условиях процесс идет при некотором перенагреве до точки Ас1 и чем больше разность Ac1 — А1, тем быстрее идет процесс, так как увеличивается разность равновесных концентраций углерода в аустените на границах с цементитом и ферритом Сц — Сф и увеличивается подвижность атомов углерода.

Расчеты, построенные на законах диффузии, показывают, что превращения перлита в аустенит по своей природе — быстропротекающий процесс. Тонкопластинчатый перлит может перейти в аустенит при температурах, близких к А1, в течение 0,1—0,2 с, грубопластинчатый — за 0,8—1.0 с. Однако теоретическая расчетная скорость превращения может быть достигнута только в том случае, если это превращение, по своей природе эндотермическое и идущее с поглощением тепла в количестве 80 Дж/г. будет обеспечено необходимым количеством энергии. В термических печах передача нужного количества энергии затруднена и превращение искусственно затягивается.

При индукционном нагреве тепловая энергия генерируется непосредственно в поверхностных слоях обрабатываемого изделия, поэтому мощность, передаваемая в изделие, не ограничивается. Увеличение скорости нагрева, связанное с увеличением передаваемой в изделие мощности, вызывает ускорение процесса превращения, которое при реальных режимах термической обработки углеродистой стали завершается в полной мере при температуре, близкой к А1. Только при очень быстрых процессах поверхностной закалки, когда время нагрева исчисляется долями секунды, приходится учитывать время превращения перлита в аустенит и повышать конечную температуру нагрева существенно выше точки Ас1, определенной для данной стали при медленном нагреве. В этом случае говорят об интервале температур превращения перлита в аустенит.

Сказанное выше справедливо для углеродистой стали, т. е. сплава железа с углеродом. Введение в сплав легирующих элементов может оказать влияние на кинетику превращения перлита в аустенит.

Такие элементы, как никель, не образуют с углеродом химического соединения (карбида), а входят в состав твердого раствора в железе, понижая температуру перлитного превращения Ац. С точки зрения условий нагрева это действие благоприятно, так как позволяет применить более низкие температуры нагрева На кинетику перехода перлита в аустенит такие элементы оказывают слабое влияние, которое в практике термической обработки можно не учитывать.
Кремний, так же как и никель, не образует в стали карбидов, но он повышает температуру начала перлитного превращения. Кроме того, кремний существенно замедляет диффузию углерода в железе, что приводит к необходимости для форсирования процесса повышать температуру нагрева при термической обработке по сравнению с углеродистой сталью.

Большинство элементов, применяющихся для легирования конструкционной стали, образуют с углеродом карбиды, стойкие при относительно высоких температурах, К ним относятся хром, титан, ванадий, вольфрам и др. Скорость превращения эвтектоида, легированного этими элементами, много меньше скорости превращения перлита в углеродистой стали. Поэтому при индукционном нагреве превращение протекает в некотором интервале температур и температура окончания процесса может оказаться выше на несколько десятков градусов.

Марганец обычно входит и состав карбидной фазы, образуя сложный карбид (MnFe)3C который по свойствам и термической стойкости мало отличается от цементита.

При нагреве доэвтектоидной стали кроме процесса превращении перлита в аустенит должен произойти процесс перехода к аустенит структурно свободного феррита. Это диффузионный процесс, он протекает под влиянием углерода, диффундирующего из начальных участков аустенита, имеющих высокую концентрацию углерода. Общие закономерности превращения структурно свободною феррита в аустенит те же. что и превращении перлита. Однако при превращении феррита расстояния дли диффузионного углерода больше. Следовательно, больше и продолжительность превращения. Это определяет более существенную зависимость кинетики процесса от режима нагрева.

При повышении температуры продолжается начатый ранее процесс роста первичных участков аустенита за счет феррита. По достижении температуры, соответствующей линии G-G (см. рис. 1.1), сохранившиеся отдельные участки феррита с кристаллической решеткой а-железа претерпят превращение с образованием железа, имеющего кристаллическую решетку у. Однако эти участки еще не будут насыщены углеродом. Процесс выравнивания содержания углерода, достаточного для получения после охлаждении однородного мартенсита, заканчивается в точке g1 на линии G1S1.

Таким образом, при повышении скорости нагрева до эвтектоидной стали необходимо повышать температуру нагрева по сравнению с равновесной. Конечная температура нагрева зависит от многих факторов: исходной величины зерна стали, наличия легирующих элементов, тормозящих диффузионные процессы, времени пребывания стили в области высоких температур (выше линии At1). Поэтому режимы нагрева доэвтектондной стали при закалке и других видах термической обработки разрабатываются для каждой чарки.

В заэвтектоидных сталях избыточный фазой является цементит Fe1C. Растворение в аустените избыточного цементита происходит выше уровни Дс и заканчивается при температуре Л (см. рис. 1.1). Так как растворение цементита - также диффузионный процесс, оно требует времени и подобно превращению избыточного феррита зависит от условий нагрева. Увеличение скорости нагрева смещает линию АI л на диаграмме равновесия в область более высоких температур. Легирование стали карбидообразующими элементами вызывает замедление процесса растворения карбидов и, следовательно, способствует еще большему повышению температуры завершения процесса при быстром нагреве.

Рубрика Индукционный нагрев


Последние записи

Реклама

Категории

Архив

Реклама