De warmtebehandeling van gietijzer vertoont overeenkomsten en verschillen met die van staal. De warmtebehandeling van gietijzer kan de morfologie en verdeling van grafiet in de oorspronkelijke structuur niet verbeteren. Voor grijs gietijzer is het spanningsconcentratie-effect veroorzaakt door vlokgrafiet de belangrijkste factor voor de eigenschappen van het gietijzer; daarom is het versterkende effect van warmtebehandeling op grijs gietijzer veel minder significant dan dat van staal en nodulair gietijzer. Daarom omvat het warmtebehandelingsproces van grijs gietijzer voornamelijk gloeien, normaliseren, enz.
Voor nodulair gietijzer, omdat het grafiet sferisch is, wordt het splijtende effect op de matrix sterk verminderd. De matrixstructuur kan door middel van warmtebehandeling volledig haar functie vervullen, waardoor de mechanische eigenschappen van het sferische gietijzer aanzienlijk worden verbeterd. Daarom kent ductiel gietijzer, net als staal, processen zoals gloeien, normaliseren, harden en ontlaten, multitemperatuurharding, inductieverwarmingsharding en oppervlaktechemische warmtebehandeling.
Warmtebehandelingsproces van gietijzer:
1. Spanningsontspanningsgloeien
Vanwege de ongelijkmatige wanddikte van gietstukken ontstaan tijdens verwarming, afkoeling en faseovergang effectieve spanningen en structurele spanningen. Bovendien blijven bij grote onderdelen na bewerking gemakkelijk interne spanningen achter; al deze interne spanningen dienen te worden geëlimineerd. De algemene verwarmingstemperatuur voor spanningsarme gloeien bedraagt 500–550 °C, met een houdtijd van 2–8 uur, gevolgd door afkoeling in de oven (bij grijs gietijzer) of luchtkoeling (bij nodulair gietijzer). Dit proces kan 90–95% van de interne spanningen in het gietstuk wegnemen, maar de structuur van het gietijzer blijft ongewijzigd. Als de temperatuur boven 550 °C stijgt of de houdtijd te lang is, treedt in plaats daarvan graphitisering op, waardoor de sterkte en hardheid van het gietstuk afnemen.
2. Hoge-temperatuur graphitisatiegloeien ter eliminatie van wit gietijzer
Bij het afkoelen van het gietstuk ontstaat vaak aan de oppervlaktelaag en in dunne secties een witte rand. Deze witte microstructuur is hard en bros, slecht bewerkbaar en makkelijk af te pellen. Daarom moet er gebruik worden gemaakt van gloeien (of normaliseren) om deze witte structuur te elimineren. Gloeiproces: verwarmen tot 550–950 °C gedurende 2–5 uur, daarna afkoelen in de oven tot 500–550 °C, vervolgens uit de oven luchtkoelen. Tijdens de hoogtemperatuurisolatie worden vrij cementiet en eutectisch cementiet afgebroken in grafiet en A, en ook secundair cementiet en eutectoïd cementiet worden tijdens de daaropvolgende afkoeling afgebroken, wat leidt tot graphitisering. Door de afbraak van cementiet neemt de hardheid af, waardoor de bewerkbaarheid verbetert.
3. Normaliseren van kneedbaar ijzer
Het doel van het normaliseren van nodulair gietijzer is om een perlietische matrixstructuur te verkrijgen, de korrelgrootte te verfijnen en de structuur gelijkmatig te maken, zodat de mechanische eigenschappen van de gietstukken worden verbeterd. Soms dient normaliseren ook als voorbereiding op het oppervlakteharden van nodulair gietijzer wat betreft de microstructuur. Normaliseren kan worden onderverdeeld in hoogtemperatuurnormalisering en laagtemperatuurnormalisering. De hoogtemperatuurnormalisering vindt plaats bij temperaturen die over het algemeen niet hoger zijn dan 950~980 ℃, terwijl de laagtemperatuurnormalisering meestal wordt uitgevoerd bij temperaturen binnen het eutectoïde bereik van 820~860 ℃. Na het normaliseren is doorgaans een nabehandeling vereist om de tijdens het normaliseren ontstane interne spanningen te elimineren.
4. Hardsolderen en temperen van nodulair gietijzer
Om de mechanische eigenschappen van nodulair gietijzer te verbeteren, worden de gietstukken doorgaans verwarmd tot 30~50 ℃ boven Afc1 (Afc1 staat voor de eindtemperatuur van de A-vorming tijdens het verwarmen) en na warmtebehoud in olie gequenchd om een martensitische structuur te verkrijgen. Om de restspanningen na het quenchen op passende wijze te verminderen, dient na het quenchen over het algemeen een ontspanning te worden uitgevoerd. De structuur na lage temperatuurontspanning bestaat uit getemperde martensiet plus bainiet plus sferisch grafiet. Deze structuur vertoont goede slijtvastheid en wordt gebruikt voor onderdelen die hoge slijtvastheid en hoge sterkte vereisen. De temperatuur voor middelhoge temperatuurontspanning ligt tussen 350 en 500 ℃. Na deze behandeling bestaat de structuur uit getemperde troostiet plus sferisch grafiet. Deze is geschikt voor dikke delen met goede slijtvastheid, een zekere stabiliteit en elasticiteit. De temperatuur voor hoge temperatuurontspanning ligt tussen 500 en 600 ℃. Na deze behandeling bestaat de structuur uit getemperde sorbit plus sferisch grafiet, dat beschikt over goede algehele eigenschappen wat betreft taaiheid en sterkte; daarom wordt dit breed toegepast in de productie.
5. Isothermisch harden van kneedbaar ijzer
Ductiel gietijzer kan na isothermisch afschrikken een hoge sterkte, goede plasticiteit en taaiheid bereiken. Bij het kiezen van de verwarmingstemperatuur voor isothermisch afschrikken wordt voornamelijk rekening gehouden met het verkrijgen van een volledig austenitische oorspronkelijke structuur zonder resterend ferriet, en tevens met het voorkomen van groei van de austenietkorrels. De verwarmingstemperatuur ligt over het algemeen 30 tot 50 °C boven Afc1, om te garanderen dat een onderbainitische structuur met uitgebalanceerde mechanische eigenschappen ontstaat. Na isothermisch afschrikken van zeldzame-aarde-magnesium-aluminium nodulair gietijzer bedragen de treksterkte σ b 1200–1400 MPa, de kerfslagenergie α k 3–3,6 J/cm² en de hardheid HRC 47–51. Het dient echter opgemerkt te worden dat na het isothermische afschrikken een temperproces moet worden toegevoegd.
6. Oppervlakteharden
Om de oppervlaktehardheid, slijtvastheid en vermoeidheidssterkte van bepaalde gietstukken te verbeteren, kan oppervlaktequenching worden toegepast. Zowel grijs gietijzer als nodulair gietijzer kunnen oppervlaktegequenchd worden. Over het algemeen worden hoogfrequente (middelfrequente) inductieverwarming voor oppervlaktequenching en elektrische contactoppervlaktequenching gebruikt.
7. Chemische warmtebehandeling
Voor gietstukken die oppervlakte-slijtvastheid, oxidatiebestendigheid en corrosiebestendigheid vereisen, kan een chemische warmtebehandelingsproces worden toegepast dat vergelijkbaar is met dat voor staal, zoals gaszachte chlorering, chlorering, borering, sulfering, enzovoort.