Obróbka cieplna żeliwa ma podobieństwa i różnice w porównaniu z obróbką cieplną stali. Obróbka cieplna żeliwa nie jest w stanie poprawić morfologii ani rozkładu grafitu w strukturze pierwotnej. W przypadku żeliwa szarego głównym czynnikiem wpływającym na właściwości żeliwa jest efekt koncentracji naprężeń spowodowany płatkowatym grafitem, dlatego działanie hartowania na żeliwo szare jest znacznie mniej istotne niż w przypadku stali czy żeliwa nodularnego. Dlatego procesy obróbki cieplnej żeliwa szarego obejmują głównie odpuszczanie, normalizację itp.
W przypadku żeliwa nodularnego, ponieważ grafit ma sferyczny kształt, efekt rozszczepienia na macierz znacznie się zmniejsza. Dzięki obróbce cieplnej struktura macierzy może pełnić swoje funkcje w pełni, co pozwala znacznie poprawić właściwości mechaniczne żeliwa nodularnego. Dlatego, podobnie jak w przypadku stali, żeliwo odporne na uderzenia poddawane jest procesom odpuszczania, normalizacji, hartowania i odpuszczania, wielotemperaturowego hartowania, hartowania przy pomocy nagrzewania indukcyjnego oraz powierzchniowej obróbki cieplnej chemicznej.
Proces obróbki cieplnej żeliwa:
1. Odprężanie odprowadzające naprężenia
Ze względu na nieregularną grubość ścian wyrobów odlewowych podczas nagrzewania, chłodzenia oraz przemian fazowych powstają naprężenia skuteczne i naprężenia strukturalne. Ponadto w dużych częściach łatwo pozostają naprężenia wewnętrzne po obróbce mechanicznej; wszystkie te naprężenia wewnętrzne muszą zostać usunięte. Ogólna temperatura nagrzewania podczas odpuszczania redukującego naprężenia wynosi 500–550 °C, a czas trzymania 2–8 godzin, po czym następuje chłodzenie w piecu (w przypadku żeliwa szarego) lub chłodzenie na powietrzu (w przypadku żeliwa nodularnego). Ten proces pozwala usunąć 90–95% naprężeń wewnętrznych w odlewie, jednak struktura żeliwa nie ulega zmianie. Jeśli temperatura przekroczy 550 °C lub czas trzymania będzie zbyt długi, nastąpi zamiast tego grafityzacja, co obniża wytrzymałość i twardość odlewu.
2. Odpuszczanie wysokotemperaturowe z grafityzacją w celu likwidacji białego żeliwa
Podczas chłodzenia odlewu na warstwie powierzchniowej i w cienkich sekcjach często występuje biała krawędź. Ta mikrostruktura jest twarda i krucha, charakteryzuje się niską plastycznością i łatwośćą łuszczenia. Dlatego konieczne jest zastosowanie procesu odpuszczania (lub normalizacji) w celu usunięcia tej białej struktury. Proces odpuszczania: nagrzewanie do temperatury 550–950 °C przez 2–5 godzin, następnie chłodzenie w piecu do 500–550 °C, a następnie chłodzenie na powietrzu po wyjęciu z pieca. Podczas długotrwałego utrzymania w wysokiej temperaturze wolny cementyt oraz cementyt eutektyczny rozkładają się na grafit i austenit, zaś cementyt wtórny i cementyt eutektoydny również ulegają rozkładowi podczas późniejszego chłodzenia, co prowadzi do grafityzacji. Z uwagi na rozkład cementytu spada twardość, co poprawia zdolność obrabialności.
3. Normalizacja żeliwa sferoidalnego
Celem normalizacji żeliwa sferoidalnego jest uzyskanie struktury macierzy perlitowej, zdrobnienie ziaren oraz wyrównanie struktury, co pozwala na poprawę właściwości mechanicznych odlewów. Czasami normalizacja stanowi również przygotowanie do hartowania powierzchniowego żeliwa sferoidalnego pod względem strukturalnym. Normalizację można podzielić na normalizację wysokotemperaturową i niskotemperaturową. Temperatura normalizacji wysokotemperaturowej zwykle nie przekracza 950–980 °C, natomiast normalizacja niskotemperaturowa prowadzona jest zazwyczaj w zakresie temperatur eutektycznych, czyli 820–860 °C. Po przeprowadzeniu normalizacji konieczne jest zwykle przeprowadzenie obróbki eliminującej naprężenia wewnętrzne powstałe podczas procesu normalizacji.
4. Tępienie i hartowanie żeliwa sferoidalnego
Aby poprawić właściwości mechaniczne żeliwa odkowalnego, odlewy są zazwyczaj nagrzewane do temperatury 30–50 °C powyżej Afc1 (Afc1 oznacza końcową temperaturę powstawania struktury A podczas nagrzewania) i po utrzymaniu ciepła chłodzone w oleju, co pozwala uzyskać strukturę martenityczną. W celu odpowiedniego zmniejszenia naprężeń resztowych po hartowaniu, zwykle po hartowaniu przeprowadza się odpuszczanie. Struktura uzyskana przy niskim odpuszczaniu to martenita odpuszczona wraz z bainitem oraz grafitem sferoidalnym. Taka struktura charakteryzuje się dobrą wytrzymałością na ścieranie i stosowana jest w częściach wymagających wysokiej wytrzymałości na ścieranie oraz dużej wytrzymałości mechanicznej. Temperatura odpuszczania średniego to 350–500 °C; po tym procesie struktura składa się z troostytu odpuszczonego oraz grafitu sferoidalnego. Jest ona odpowiednia do grubych detali, które muszą zapewniać dobrą odporność na ścieranie, pewną stabilność oraz elastyczność. Temperatura odpuszczania wysokiego to 500–600 °C; po tym procesie struktura stanowi sorbit odpuszczony wraz z grafitem sferoidalnym, który cechuje się dobrymi wszechstronnymi właściwościami – wytrzymałością i twardością – dlatego jest szeroko stosowany w produkcji.
5. Izotermiczne hartowanie żeliwa sferoidalnego
Żelazo duktyczne po izotermicznym hartowaniu może osiągnąć wysoką wytrzymałość, dobrą plastyczność oraz zdecydowaną odporność na uderzenie. Dobór temperatury nagrzewania do procesu izotermicznego hartowania uwzględnia przede wszystkim uzyskanie struktury w całości austenitycznej bez resztkowego ferytu oraz uniknięcie wzrostu ziaren austenitu. Temperatura nagrzewania wynosi zwykle 30–50 °C powyżej temperatury Afc1, co zapewnia uzyskanie struktury dolnobainitowej o wszechstronnych właściwościach mechanicznych. Po izotermicznym hartowaniu żelaza nodularnego z dodatkiem rzadkiziemowych metali – magnezu i aluminium – uzyskuje się wytrzymałość σb = 1200–1400 MPa, twardość αk = 3–3,6 J/cm² oraz twardość HRC = 47–51. Należy jednak pamiętać, że po izotermicznym hartowaniu konieczne jest przeprowadzenie procesu odpuszczania.
6. Twardzenie powierzchni
Aby poprawić twardość powierzchniową, odporność na ścieranie oraz wytrzymałość na zmęczenie niektórych odlewów, można zastosować hartowanie powierzchniowe. Zarówno odlewy z żeliwa szarego, jak i z żeliwa odkowalnego mogą być poddawane hartowaniu powierzchniowemu. Zazwyczaj stosuje się hartowanie powierzchniowe indukcyjne o wysokiej (średniej) częstotliwości oraz hartowanie powierzchniowe metodą kontaktu elektrycznego.
7. Chemiczna obróbka cieplna
W przypadku odlewów wymagających odporności na ścieranie, utlenianie oraz korozję na powierzchni, można zastosować procesy obróbki termicznej podobne do tych stosowanych w przypadku stali, takie jak miękkie chlorowanie gazowe, chlorowanie, boronowanie, siarkowanie itp.