Основные структурные изменения при гомогенизации

Главный процесс при гомогенизационном отжиге — выравнивание состава зерен твердого раствора, т. е. устранение внутрикристаллитной ликвации. В сплавах, содержащих неравновесную избыточную фазу, при гомогенизационном отжиге протекают два основных процесса: выравнивание концентрации внутри зерен твердого раствора и растворение неравновесных избыточных фаз. В основе этих процессов лежит диффузия, и поэтому гомогенизационный отжиг называют также диффузионным.

Распределение легирующего элемента по сечению дендритной ячейки схематично показано на рисунке (кривая 1). Отрезок pq соответствует сечению дендритной ячейки первичной α-фазы, a hp —сечению включения второй фазы (β) на границе дендритной ячейки. Вертикальный скачок концентрации у границы дендритной ячейки соответствует расположению здесь включения второй фазы.

В самом начале выдержки при гомогенизационном отжиге на границе дендритной ячейки с избыточной β -фазой устанавливается равновесная концентрация α-раствора, соответствующая точке предельной растворимости при температуре гомогенизации. Эта концентрация периферийного слоя α-раствора поддерживается постоянной до тех пор, пока существует избыточная β-фаза.

Выравнивание состава внутри дендритных ячеек является контролирующим звеном гомогенизации, определяющим скорость и время полного растворения избыточной фазы.

Если условно отделить один от другого процессы выравнивания состава внутри α-фазы и растворения в ней избыточной β-фазы, то можно схематично нарисовать такую картину. Выравнивание состава внутри α-раствора приводит к уменьшению его концентрации на границе с β-фазой и периферийный слой дендритной ячейки становится ненасыщенным по отношению к β-фазе. Поэтому β-фаза растворяется, поднимая концентрацию в периферийном слое α-раствора до равновесной и т. д. Постепенно граница α/β перемещается в сторону растворяющейся β-фазы, а состав α-фазы по сечению дендритной ячейки выравнивается (см. пунктирные линии на рисунке, соответствующие разным моментам гомогенизации).

 

 

	h		p

Pи с. 1. Схема распределения легирующего элемента по сечению дендритной ячейки α-раствора с β-фазой на ее границах в начальный (1), промежуточный (2) и конечный (3) моменты гомогенизации.

Если избыточная β-фаза должна полностью раствориться (в соответствии с диаграммой состояния), то после ее исчезновения через некоторое время завершается и выравнивание концентрации внутри α-раствора. Если же состав сплава таков, что он и в равновесных условиях не должен быть однофазным, то при гомогенизации растворяется только неравновесный избыток второй фазы и остается некоторое равновесное количество этих фаз. Время окончания гомогенизации обычно оценивается по времени окончания растворения неравновесного избытка фаз.

По первому закону Фика, количество вещества, проходящего в единицу времени через единицу площади сечения, пропорционально градиенту концентрации д c/ дх вдоль направления х, перпендикулярному этому сечению:

I = -D· д c/ дх.

 

Коэффициент диффузии D зависит от природы сплава, типа и состава твердого раствора, размера зерна и от температуры:

 

D = А·e^-Q/RT,

где R – газовая постоянная;

Т – температура;

Q – энергия активации диффузии;

А – константа, практически не зависящая от температуры.

Как видно из формулы, температура входит в показатель степени выражения для коэффициента диффузии. Поэтому сравнительно небольшое повышение температуры должно значительно ускорить диффузию.

Обычно гомогенизационный отжиг проводят при температурах выше 0,90-0,95 Т_пл, но ниже точки солидуса сплава. Иногда температура гомогенизации находится в интервале 0,8 ÷ 0,9 Т_пл.

Энергия активации диффузии Q обеспечивает переход атомов из одного положения в решетке в другое. (Величина Q у элементов, растворенных по способу внедрения, меньше, чем у элементов, растворенных по способу замещения. Поэтому последние элементы диффундируют медленнее).

Легирующие элементы, растворенные в аустените по способу замещения, обладают значительно меньшей диффузионной подвижностью, чем углерод, растворенный по способу внедрения. Скорость диффузии углерода в аустените на несколько порядков выше скорости диффузии важнейших легирующих элементов.

Слитки из углеродистых сталей обычно не подвергают гомогенизационному отжигу, так как в них при нагреве под горячую обработку давлением дендритная ликвация успевает исчезнуть из-за быстрой диффузии углерода в аустените. Легированные же стали для устранения внутрикристаллитной ликвации и растворения неравновесного избытка карбидов приходится подвергать гомогенизационному отжигу при температурах 1050-1250⁰С.

Из закона Фика вытекает еще один важный практический вывод: наиболее интенсивно гомогенизация протекает в начальный период. Слишком длительные выдержки при гомогенизации нецелесообразны, так как они малоэффективны и приводят к излишнему расходу энергии (топлива) и уменьшению производительности. Повышение температуры отжига действует эффективнее, чем повышение времени выдержки. Повышая температуру, можно сократить время выдержки при отжиге.

Кроме того, скорость гомогенизации зависит от толщины частиц избыточной фазы и размера дендритной ячейки основной фазы. С уменьшением размера дендритной ячейки возрастает средний градиент концентрации по ее сечению и, в соответствии с законом Фика, должна ускоряться диффузия. С уменьшением размера дендритной ячейки измельчается также и избыточная фаза.

Таким образом, можно использовать два пути ускорения гомогенизации, регулируя микроструктуру: увеличение скорости кристаллизации сплава и измельчение структуры слитка обработкой давлением.

Чем выше скорость кристаллизации, тем меньше размер дендритных ячеек и тоньше частицы избыточных фаз, которые кристаллизуются по их границам. Слитки и фасонные отливки, затвердевшие при больших скоростях охлаждения, быстрее и полнее гомогенизируются и отличаются более тонким строением.

Для слитков легированной стали, вместо длительного гомогенизирующего отжига, можно увеличить продолжительность нагрева деформированной заготовки перед последним переделом.

Главное изменение свойств при гомогенизационном отжиге — повышение пластичности литого сплава. При выборе режима отжига слитка показатели пластичности следует измерять не при комнатной температуре, апри температуре первой операции горячей обработки давлением. Если, например, слитки какого-либо сплава предназначены для прессования, то показатели пластичности следует определять при температуре прессования.

Механические свойства фасонной отливки следует измерять при температуре эксплуатации детали, например комнатной.

По мере растворения хрупких фаз пластичность растет и после окончания их растворения перестает изменяться. Относительное удлинение и сужение сплавов при температурах горячей деформации возрастают в результате гомогенизации в 1,5—3 раза.

Если цель гомогенизационного отжига — повысить пластичность, то за оптимальное время гомогенизации можно принять время полного растворения неравновесного избытка фаз.

Повышение пластичности слитков легированных сталей, алюминиевых и других сплавов уменьшает брак по трещинам при первой операции горячей обработки давлением, позволяет увеличить степень деформации, особенно на первых обжатиях, повысить скорость деформирования, улучшает состояние кромки (уменьшает рванины горячекатаных полос).

Значение гомогенизации особенно велико для фасонных отливок, так как их не подвергают пластической деформации, измельчающей структуру. К фасонным отливкам из алюминиевых, и магниевых сплавов гомогенизационный отжиг как самостоятельную операцию не применяют. Гомогенизация органически входит в операцию нагрева под закалку фасонных отливок. Этот нагрев проводят при таких высоких температурах и длительных выдержках, чтобы в твердый раствор перешло максимально возможное впроизводственных условиях количество избыточных фаз.