Нагрев при закалке
Основное исходное положение при выборе температуры закалки — возможно более полное растворение избыточных фаз в матричной фазе.
Если сплав расположен в той области диаграммы состояния, где он способен при нагреве полностью перейти в однофазное состояние (сплав С0 на рисунке Схема к объяснению закалки без полиморфного превращения), температура закалки должна находиться выше линии сольвуса двойной системы. При закалке сплава С0 с температуры ниже Т0 сохраняется нерастворившаяся β-фаза и матричный α-раствор оказывается менее легированным, чем при закалке с температур выше Т0.
Верхнюю границу интервала закалочных температур во избежание пережога (смотрите Явление пережога) выбирают ниже точки солидуса сплава с учетом возможного перепада температур в садке и точности теплового контроля. При оплавлении границ связь между зернами нарушается и под действием закалочных напряжений возникают межкристаллитные трещины. Мелкие трещины можно не обнаружить, но они вызывают резкое снижение прочности и пластичности.
Пережог может возникнуть также вследствие образования при закалке прослоек хрупкой фазы из-за неравновесной кристаллизации оплавленных участков, обогащенных легирующими элементами. Кроме того, причиной пережога служит быстрое проникновение по оплавленным участкам компонентов атмосферы печи, приводящее к образованию окислов и газовых пузырей. На шлифе небольшой пережог выявляется в виде утолщений границ зерен.
Пережог — это неисправимый и самый опасный брак.
Возможная ширина интервала закалочных температур в двойной системе определяется «вилкой» между точками солидуса и сольвуса. Из рисунка Схема к объяснению закалки без полиморфного превращения видно, что у сплава С0 возможный интервал закалочных температур шире, чем у сплава С0.
При закалке литейных сплавов, которые в отличие от деформируемых предварительно не подвергают гомогенизационному отжигу и технологическому нагреву для горячей обработки давлением, необходимо учитывать плавление неравновесной эвтектики (смотрите пунктир ka на рисунке Неравновесный солидус).
Если для более полного растворения избыточных фаз литейный сплав необходимо нагревать до температуры выше точки неравновесного солидуса (например, выше точки n у сплава Х2 на рисунке Неравновесный солидус (а)), то проводят ступенчатое нагревание: при температуре первой ступени, которая должна быть ниже точки неравновесного солидуса, растворяется легкоплавкая составляющая и окончательную температуру закалки можно поднять не опасаясь пережога. Например, отливки с массивным сечением из сплава МЛ5 перед нагревом под закалку до 415 °С следует выдерживать 3 ч при температуре 375 °С.
Если содержание легирующего элемента превышает предел растворимости и сплав нельзя перевести в однофазное состояние, например С2 на рисунке Схема к объяснению закалки без полиморфного превращения, то температуру нагрева под закалку выбирают возможно ближе к эвтектической (перитектической) температуре с учетом технических возможностей избежать пережога.
В зависимости от системы легирования, содержания легирующих элементов, от того, насколько сильно на свойства сплава влияет неполнота растворения избыточных фаз, интервал закалочных температур составляет градусы и десятки градусов (редко более 100 °С). Например, у дуралюминов разных марок интервал закалочных температур колеблется от 6 до 15 °С. У сплава Д1 его пределы 495 — 510 °С, у сплава Д16 495 — 505 °С и у высокомагниевого дуралюмина Д19П 503 — 508 °C. У дуралюминов верхняя граница интервала закалочных температур может отличаться от точки солидуса всего на несколько градусов. Поддержание температуры нагрева под закалку в очень узком интервале возможно только в селитряных ваннах и печах с принудительной циркуляцией воздуха.
Противоположный пример — деформируемые и литейные алюминиевые сплавы на базе системы Al — Zn — Mg, у которых возможный интервал закалочных температур на порядок (!) больше, чем у дуралюминов, и составляет около 150 °С. Сплавы этой системы можно закаливать с температур 350 — 500 °С. Ясно, что такие сплавы несравненно проще нагревать под закалку, не опасаясь пережога или недограва.
Если возможный интервал закалочных температур достаточно широк, то температуру нагрева внутри него выбирают более высокой, чтобы сократить продолжительность растворения избыточных фаз. Однако предельную температуру закалки может лимитировать не солидус, а рост зерна в деформированном сплаве. Кроме того, в некоторых полуфабрикатах требуется сохранить после обработки давлением нерекристаллизованную структуру и поэтому температура нагрева под закалку не должна превышать температуру начала рекристаллизации (cмотрите Термомеханическая обработка стареющих сплавов).
Время выдержки при температуре нагрева под закалку выбирают так, чтобы завершились процессы растворения избыточных фаз. Оно зависит от состава сплава, температуры нагрева под закалку и исходной структуры. Чем дисперснее избыточные фазы, тем быстрее они растворяются.
Деформированные полуфабрикаты часто (но не всегда) выдерживают при температуре закалки меньше, чем отливки, так как в них при гомогенизационном отжиге слитков растворялись грубые частицы избыточных фаз, а обработка давлением измельчила структуру. Например, листы из алюминиевых сплавов выдерживают при температуре нагрева под закалку 10 — 40 мин, а фасонные отливки 2 — 6 ч (иногда — более 10 ч).
Время растворения избыточных фаз при нагреве под закалку литейных сплавов связано с толщиной их частиц соотношением (формула). Детали, отлитые в земляную форму, следует дольше нагревать под закалку, чем детали, отлитые в кокиль, из-за более грубой литой структуры. Чем толще сечение отливки и соответственно меньше скорость охлаждения при литье, тем толще частицы избыточных фаз и больше должно быть время нагрева под закалку. Поэтому при закалке отливок время выдержки колеблется от десятков минут до 10 — 20 ч.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков