книги / Термоциклическая обработка сталей и чугунов

Испытания на сжатие проводились на 100-тонном прессе (пресс Мора и Федсргаффа). Валы, подвергнутые соответству­ ющим термообработкам, разрезались по коренным шейкам. Затем колена сжатием по осп коренной шеикл доводились до разрушения. При испытаниях определялись максимальная на­ грузка при разрушении (Р) и пластичность, характеризуемая величиной прогиба (/). Результаты этих испытаний приведены з табл. 22.

Испытания на разрыв показали, что в результате СТЦО исследуемый чугун марки ВЧ 50-2 становится удовлетворяю­ щим требованиям, согласно ГОСТ 7293—70, марки ВЧ 60-2. Такой переход одной марки чугуна к другой © результате СТЦО является важным обстоятельством, положительно ха­ рактеризующим новую технологию термической обработки. Экспериментальные данные разрывных испытании при раз­ личных температурах «приведены в табл. 23.

101

Усталостные испытания образцов на малоцикловую уста­ лость, по принятой нами методике [43], показали, что предел малоцикловой усталостной прочности при 5000 нагружений у ВЧ, прошедшего заводскую термическую обработку, был ра­

ГОСТ 2860—65, показали, что предел (выносливости о~\ у ВЧ, подвергнутого отжигу, был равен 230МПа (23 кгс/мм2), а в результате СТЦО он повысился до 315 МПа (до 31,5 кгс/мм2). Натурные испытания коленчатых валов на усталость полаза­

отожженными по заводской технологии [14]. Все эти результа­ ты усталостных испытаний свидетельствуют о новой «возмож­ ности увеличения усталостной прочности чугунных коленчатых валов термоциклической обработкой.

Проверка эффективности СТЦО высокопрочного чугуна производилась применительно к литым коленчатым валам на Горьковском автозаводе. Термоциклироваишо по «режиму СТЦО подвергались коленчатые валы автомашин ГАЗ-24, ГАЗ-51 и ГАЗ-53 «в термических цехах завода. Четырехкратное термоциклирование коленчатых валов проводилось партиями по 10 штук в газовых печах, разогретых до 950°С. Технология СТЦО в производственных условиях представляла собой че­ тырехкратный нагрев со скоростью 30—40°С/мин до темпера­ туры 800±10°С (ЛС1 -760°С), охлаждение на воздухе до 600—650°С с последующим охлаждением в воде. Часть колен­ чатых валов после термоциклической обработки прошла нагрев в проходной печи для горячей плавки возможных поводок и саму правку (охлаждение после правки — на воздухе).

Натурные испытания коленчатых валов проводились в ме­ ханической лаборатории Горьковского автомобильного завода. Испытания на чистый изгиб осуществлялись на 50-тонном гид­

102

изгиб (расстояние между опорами 460 мм) и на твердость ко­ ленчатых валов автомобиля ГАЗ-24 приведены в табл. 24.

Коленчатые валы в реальных условиях работы двигателя испытывают скручивающие усилия. Поэтому были проведены соответствующие испытания на кручение. В специальной ис­ пытательной машине один конец вала (фланец) зажимался неподвижно, адругой — нагружался крутящим моментом М до разрушения. При испытаниях определялся максимальный крутящий -момент Мтах и угол скручивания до разрушения «. Усредненные результаты 10—12 испытаний таковы:

С целью более -полной оценки механической прочности ко­ ленчатых валов испытаниям подвергались и отдельные его ча­ сти — колена. Проводились и стендовые испытания на износо­ стойкость коленчатых валов и другие виды испытаний [15]. Все выполненные испытания тоже показали положительное влия­ ние СТЦО на прочность и долговечность коленчатых валов из высокопрочного чугуна. Таким образом, •среднетемпературная термоциклическая обработка высокопрочного чугуна наряду с такими видами термической обработки, как отжиг, закалка, нормализация и другие, может рассматриваться как основная. Термоциклированне высокопрочного чугуна учитывает специ­ фику термообрабатываемого материала по его внутреннему строению и поэтому дает хорошие результаты в части повы­ шения эксплуатационного ресурса ответственных деталей машин.

Производственное опробование способа СТЦО на объеди­ нении Горьковского автомобильного завода показало, что СТЦО наиболее эффективно повышает как прочностные, так

ипластические свойства высокопрочных чугунов [111]. Вторая часть исследования по применению СТЦО к чугун­

коленчатые валы пусковых двигателей П-23 тракторов Т-100М

103

ПЗЗОДСТВОИНЫХ УСЛОВИЯХ ЧТЗ проводили В ОиЬП.ЮЙ камерной

печи по режиму СТЦО, разработанному для ВЧ. Установлена приемлемость способа СТЦО к изделиям из серого чугуна. В результате СТЦО пластинчатый перлит металлической основы серого чугуна стал сорбнтообразным с глобулярной, шаровид­ ной формой цементита. Эти структурные изменения привели к

П-23 показали увеличение разрушающей нагрузки с 10—12 до 15—16,5 т. Таким образом, СТЦО литых изделий из серого чугуна дает возможность повысить их работоспособность.

Итак, исследование, производственное опробование техно­ логии СТЦО и механические испытания изделий показали, что способ среднетемпературной термоциклическон обработки чуГунов с перлитной и перлитно-ферритной металлическими ос­ новами эффективно повышает конструктивную прочность ли­ тых чугунных деталей. Применение СТЦО взамен отжига не только сокращает длительность термической обработки, но и расширяет возможности использования чугунов вместо стали, а также повышает надежность работы машин.

§ 3. Влияние СТЦО на механические свойства поршневых колец

Практика эксплуатации дизелей .всех типов показывает, что одними из основных причин выхода из строя дизеля является повышенный износ или потеря упругости поршневых колец, вызывающие потерю герметичности в цилиндре, повышенный расход картерного масла и т. д. Долговечность работы порш­ невых колец очень зависит от их качества.

В настоящее время основное количество дизельных порш­ невых колец изготавливается из чугунных отливок цилиндри­ ческой формы. Такая отливка разрезается на кольца, которые термически обрабатываются в специальных оправках для при­ дания кольцам устойчивой формы и необходимой упругости.

ческим требованиям кольца должны иметь перлитную струк­ туру и равномерно распределенный в перлите неориентирован­ ный графит. Фосфидная эвтектика допустима в виде изолиро­ ванных включений, а феррита может быть не более 5%. Меха­

104

>550МПа(55 кгс/мм2). Одним из основных показателей каче­ ства •поршневых колец является их упругость, которая опреде­ ляется по специальной методике, предусмотренной ГОСТ 7295—63. Упругость колец V оценивается массой гирь, выра­ женной в граммах, сжимающих кольцо на специальном уст­ ройстве до определенного зазора (0,8—1,8 мм) в разрезе

(замке).

Одним из распространенных видов брака колец является недостаточная упругость вследствие наличия в структуре фер­ рита. По данным Клинцовского завода поршневых колец, пе­ ред финишной обработкой колец (после термофиксации) при требуемой упругости 7100—9000 г до 5% колец имеют упру­ гость ниже допустимой, а 60% на нижнем пределе. Из числа готовых колец до 10% бракуются по заниженной упругости, а 95% компрессионных и 50% маслосъемных колец имеют ми­ нимальную упругость. Термическая обработка заготовок поршиевых колец состоит в низкотемпературном (500—500°С) от­ жиге для снятия внутренних напряжений (зремя выдержки 2—3 ч, охлаждение на воздухе). Кольца же подвергают тер­ мофиксации при 400—420°С с двухчасовой выдержкой.

Для решения вопроса о возможности замены традиционной термической обработки поршневых колец среднетемператур­ ной термоциклической обработкой были проведены необходи­ мые исследования на поршневых кольцах шести плавок [13]. Все кольца были подвергнуты оптимальной для данного чугу­ на термоциклической обработке по следующему режиму: четы­ рехкратный быстрый нагрев (со скоростью 30—50°С/мин) до температуры 850—880°С с последующим охлаждением на воз­ духе до температуры 530 — 500°С и далее в воде. После термоциклироваиия кольца имели сорбитиую структуру.

Результаты механических испытаний (табл. 25) показали, что СТЦО улучшает физико-механические свойства чугунных

поршневых колец.

Поршневые кольца работают под напряжением при повы­ шенных температурах. Поэтому исследовалось влияние повы­ шенных температур и длительности выдержек на сохранение

вплоть до 400°С не приводит к заметным изменениям упругих свойств. Падение упругости и начало интенсивной пластиче­ ской деформации наблюдалось у колец с заводской термооб­ работкой при температуре 420°С п у термоциклнрованных —

105

начиная с температуры 450°С. Это свидетельствует об увели­ чении теплостойкости чугунных поршневых колец термоциклической обработкой.

Таким образом, СТЦО малых изделий из серого чугуна да­ же таких, как поршневые кольца, позволяет улучшить их ка­ чество.

§ 4. Упрочняющая нормализация и СТЦО как способ термической обработки высокопрочного чугуна

Высокопрочный чугун подвергают двум способам норма­ лизации: графнтизнрующей и упрочняющей.

Графитизирующая нормализация [96] является разновидно­ стью высокотемпературного графитизирующего отжига, с той лишь разницей, что охлаждение термообрабатываемых изде­

этих температурах от 2 до 5 ч и охлаждают на воздухе. Такая термическая обработка, .получившая название графитизирующей нормализации, обеспечивает получение структуры сорбито­ образного пластинчатого перлита и шаровидного графита.

Недостатком графнтизнрующей нормализации в сравнении с графитизирующим высокотемпературным отжигом является то, что для больших изделий применение графитизирующей нормализации не обеспечивает однородной структуры по сече­ нию и, следовательно, одинако*вых механических свойств. Это происходит из-за большой чувствительности чугуна к скорости охлаждения. При охлаждении различные объемы изделия охлаждаются с неодинаковыми скоростями. Например, поверх­ ность изделий всегда охлаждается быстрее, а сердцевина мед­ леннее. В силу этого у поверхности металлическая основа ВЧ

новы углеродом, что повышает прочностные свойства высоко­ прочного чугуна. Структура сплава с графитом является от­ носительно устойчивой (стабильной). Эта стабильность струк­ туры выражается в том, что нагрев, например, высокопрочного чугуна до температур около 500—600° С не приводит к бы­ строму распаду перлита на феррит и графит или к диффузии углерода из графитных включений в металлическую основу чу­ гуна. Но при нагревании чугуна, только начиная с некоторой критической температуры /цр, углерод диффундирует из гра­ фитных включений в аустенит, что при последующем охлаж­ дении приводит к увеличению перлитной составляющей.

107

На рис. 50 показан характер зависимости насыщения угле* родом металлической основы ферритного высокопрочного чу­ гуна до 100% при разных температурах с течением времени. При температурах выше /,;р происходит насыщение углеродом (зона I), а в интервале температур от 1Х до /ьр (зона II) —зо­

чугуна устойчив: углерод не растворяется в металлической ос­ нове.

Значения /,1р разные для различных по структуре и хими­ ческому составу сплавов. Температура нагрева прн упрочняю-

щей нормализации должна быть несколько выше полного пре­ вращения металлической основы в состояние аустенита. По­ ложительной особенностью упрочняющей нормализации явля­ ется то, что, зная зависимости скоростей растворимости угле­ рода при различных температурах, можно, меняя длительность

На рис. 51 показано влияние температуры и времени вы­ держки на количество перлитной фазы при упрочняющей нор­ мализации ферритно-перлитного высокопрочного магниевого

выдержкой от 0,5 до 2,0 ч в зависимости от уровня требуемой прочности. Однако при этом увеличение прочностных свойств сопровождается резким снижением пластичности. Сохранение пластичности прн увеличении показателей прочности можно

108

достичь, если совместить эффекты изменения механических свойств’ при упрочняющей нормализации и среднстемператур-

при этой температуре в течение 15—20 мин, охлаждаются на спокойном воздухе до температур на 30—50°С ниже Аг\. Пос­ ле этого подстуживання на воздухе осуществляются 4—5-крат­ ные нагревы выше Ас1 на 30—50°С с последующими охлажде­ ниями на воздухе до температур на 30—50°С ниже Лг1. Окон­ чательное охлаждение до комнатных температур в воде, мас­ ле или в струе воздуха.

Описанный режим термической обработки (включающий в себя СТЦО) позволяет получать удовлетворительную пластич­ ность и вязкость при относительно высоких (в сравнении с из­ вестными способами термической обработки) значениях проч­ ностных характеристик. Так, при обработке высокопрочного чу­

данный способ термической обработки высокопрочного чугуна увеличивает его уровень прочности — повышает конструктив­ ную прочность. Чугун марки ВЧ 45-5 становится более проч­ ным, чем ВЧ 80-3.

Описанный в данном параграфе способ термообработки высокопрочных чугунов наиболее эффективен применительно к чугуиам, имеющим ферритную или ферритно-перлитную ме­ таллическую основу и, которые легко ферритизируются при температурах, близких к Ас\. Быстро ферритизирующиеся (рас­

и становится более пластичным и вязким.

§ 5. Способ термической обработки отливок из белого чугуна (СТЦО ковкого чугуна)

Известен способ термической обработки отливов из белого чугуна, представляющий собой полный графитизирующин от­ жиг при температурах .выше точки Асм. Однако он не обеспе-

109