Повышение качества отливок из стали 110Г13Л путем оптимизации режима термической обработки

В работе показано, что для повышения качества отливок из стали 110Г13Л при назначении режима термической обработки необходимо учитывать существование области гомогенности цементита и добиваться формирования при кристаллизации отливок метастабильных карбидов цементитного типа, легко растворяемых при последующих нагревах.

Ключевые слова: сталь, карбиды, область гомогенности цементита, термическая обработка.

На сегодняшний день в связи с одним из важнейших направлений повышения качества металлопродукции является необходимость получения гарантированных и стабильных механических и эксплуатационных характеристик, что требует совершенствования существующих и поиска новых научно–технических и технологических решений.

Применительно к высокомарганцевым сталям аустенитного класса, серьезной проблемой является получение гомогенной структуры, свободной от карбидов цементитного типа, так как стандартная термообработка по ГОСТ 977–88 не всегда приводит к их устранению. Основной причиной является формирование при кристаллизации стабильных карбидов нестехиометрического состава, содержащих менее 6,67 % углерода [1]. Такие карбиды в отличии от карбидов стехиометрического состава имеют меньшую термодинамическую активность по углероду и не растворяются при проведении стандартной термической обработки.

Поэтому целью работы было выявить условия формирования в железоуглеродистых сплавах карбидов цементитного типа и разработать мероприятия по переводу стабильных карбидов, с недостатком по углероду, в метастабильные стехиометрического состава.

Объектом исследования была выбрана сталь 110Г13Л, как наиболее подверженная образованию карбидов в литом состоянии и как следствие, имеющая высокий процент брака в производстве из-за неэффективности стандартного режима термической обработки.

Для выявления причины данного явления необходимо было проанализировать образование карбидной фазы опираясь на диаграмму состояния железо-углерод, с обозначенной на ней областью гомогенности цементита. В области гомогенности цементита, которая характеризующаяся снижением растворимости углерода при повышении температуры, углерод имеет различные значения термодинамической активности для стехиометрической и не стехиометрической концентрации. Следовательно, карбид железа стехиометрического состава, т. е. содержащий 6,67 %C, имеет максимальную термодинамическую активность углерода и поэтому, как наиболее метастабильное соединение, легко распадается при последующих нагревах [2,3,4].

С целью выявления температурно-временных параметров образования карбидной фазы были проведены исследования для определения начальной температуры изменения морфологии карбидов в исследуемых образцах стали 110Г13Л.

Для этого образцы нагревались в термической печи и исследовались на оптическом микроскопе. Нагрев производился со скоростью 10 град/мин с выдержкой 15 минут, через каждые 50°С, от начальной температурой нагрева 100ºС.

Рис. 1. Микроструктура образца при температурах 100–600°С

Началу изменения морфологии карбидов в стали 110Г13Л соответствовала температура 650°С (рис. 2). Так как процессы нагрева и охлаждения, кристаллизации и плавления в железоуглеродистых сплавах являются однотипными по своей природе, только с обратным знаком, то можно заключить, что при охлаждении сплавов, содержащих карбиды, какие-либо изменения в их составе могут протекать только до температуры 650ºС. Поэтому, при получении литых заготовок и изделий желательно не проводить выбивку отливок из формы до достижения ими этой температуры. Только в этом случае можно гарантировать, что в металле отливки полностью завершаться процессы структурообразования в целом и карбидообразования в частности. И проводимая по ГОСТ 977–88 термическая обработка позволит получить чисто аустенитную структуру.

Рис. 2. Микроструктура образца при температуре 650°С

В противном случае в металле отливки подвергшейся ранней выбивке образуются карбиды нестехиометрического состава, с низкой термодинамической активностью, которые не растворяются при стандартной термической обработке по ГОСТ 977–88. Это приводит к наличию в аустенитной структуре стали 110Г13Л включений цементитного типа, что в свою очередь снижает механические и эксплуатационные характеристики конечного изделия.

Для этих случаев был предложен скорректированный режим термической обработки (рис. 3), который отличается от стандартного наличием изотермической выдержки в режиме нагрева при температуре 650–700°C.

Рис. 3. Схема скорректированного режима термической обработки для стали 110Г13Л.

Время изотермической выдержки зависит от размеров и конфигурации отливок и подбирается в каждом случае индивидуально [5]. Во время выдержки в литой структуре отливки изменяется состав карбидов цементитного типа, которые будут иметь стехиометрический состав, с содержанием углерода 6,67 %, они будут метастабильные, легко растворяемые при последующих нагревах.

1. Медленный нагрев отливки до температуры 650–700°C
2. Изотермическая выдержка в течение времени, соответствующего толщине и конфигурации отливки.
3. Скоростной нагрев до температуры закалки 1100–1150°C.
4. Выдержка при температуре закалки в течение времени, соответствующего толщине и конфигурации отливки.
5. Охлаждение отливки в воде.

Таким образом, используя полученные сведения о температурных параметрах формирования карбидов цементитного типа необходимо при разработке технологии производства отливок придерживаться соблюдения температуры выбивки из формы не выше 650°C. Только в этом случае в литой структуре отливки полностью пройдут процессы карбидообразования и карбиды цементитного типа будут иметь стехиометрический состав, с содержанием углерода 6,67 %, они будут метастабильные, легко растворяемые при последующих нагревах. В случае, если соблюдать выдержку при выбивке отливок не представляется возможным, рекомендуется использовать скорректированный режим термической обработки по предложенной методике.

Литература:

1. Ильинский, В. А. Природа пониженной пластичности стальных отливок / В. А. Ильинский, Л. В. Костылева, Е. Ю. Карпова // Литейное производство. — 1997. — № 5. — С. 19–21.
2. Жуков, А. А. О термодинамической активности компонентов сплавов / А. А. Жуков, М. А. Криштал // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1975. — № 7. — С. 70–76.
3. Диаграммы состояний двойных и многокомпонентных систем на основе железа / гл. ред. О. А. Банных. — Москва: Металлургия, 1986. — 440с.
4. Розанов, А. Н. Структура и свойства цементита / А. Н. Розанов // Металловедение и современные методы термической обработки чугуна: сб. науч. тр. / Машгиз. — Москва, 1955. — С. 29–32.
5. Габельченко Н. И. Получение гомогенной аустенитной структуры в отливках из стали 110Г13Л / Н. И. Габельченко, Ю. В. Гребнев, Н. В. Волкова, А. А. Зенин // Изв. ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 4:межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2010. — № 4. — C. 151–154.