Термическая обработка чугуна имеет как сходства, так и различия с обработкой стали. Термическая обработка чугуна не способна улучшить морфологию и распределение графита в исходной структуре. Для серого чугуна основным фактором, определяющим его свойства, является эффект концентрации напряжений, вызванный пластинчатым графитом; поэтому закаливающее воздействие термической обработки на серый чугун значительно менее выражено, чем на сталь и высокопрочный чугун. Поэтому процессы термической обработки серого чугуна в основном включают отжиг, нормализацию и т. п.
Для высокопрочного чугуна, поскольку графит имеет сферическую форму, разрушающее действие на матрицу существенно снижается. Благодаря термической обработке структура матрицы может полностью проявить свои свойства, что позволяет значительно улучшить механические характеристики материала. Поэтому, подобно стали, для высокопрочного чугуна применяют отжиг, нормализацию, закалку с отпуском, многоступенчатую закалку, индукционную закалку и поверхностную химическую термическую обработку.
Процесс термической обработки чугуна:
1. Отжиг для снятия внутренних напряжений
Из‑за неравномерной толщины стенок отливок при нагреве, охлаждении и фазовых превращениях возникают эффективные напряжения и структурные напряжения. Кроме того, внутренние напряжения крупных деталей легко сохраняются после механической обработки; все эти внутренние напряжения необходимо снять. Общая температура нагрева при отжиге для снятия напряжений составляет 500–550 °C, выдержка — 2–8 часов, затем охлаждение в печи (для серого чугуна) или на воздухе (для высокопрочного чугуна). Этот процесс позволяет устранить 90–95% внутренних напряжений отливки, однако структура чугуна при этом не изменяется. Если температура превышает 550 °C или время выдержки слишком велико, вместо этого происходит графитизация, что снижает прочность и твердость отливки.
2. Высокотемпературный графитизирующий отжиг для устранения белой структуры
При охлаждении отливки на поверхности и в тонкостенных участках часто образуется белая структура. Эта белая микроструктура тверда и хрупка, обладает плохой обрабатываемостью и легко скалывается. Поэтому для устранения белой структуры необходимо применять отжиг (или нормализацию). Процесс отжига: нагрев до 550–950 °C на 2–5 часов, затем охлаждение в печи до 500–550 °C, после чего — охлаждение на воздухе. Во время длительной выдержки при высокой температуре свободный цементит и эвтектический цементит распадаются на графит и аустенит, а вторичный цементит и эвтектоидный цементит также распадаются в процессе последующего охлаждения, что приводит к графитизации. В результате распада цементита снижается твердость, что улучшает обрабатываемость.
3. Нормализация ковкого чугуна
Цель нормализации ковкого чугуна — получить перлитную матричную структуру, утоньшить зерно и выровнять структуру, что позволяет улучшить механические свойства отливок. Иногда нормализация также служит подготовкой структуры к поверхностной закалке ковкого чугуна. Нормализацию можно разделить на высокотемпературную и низкотемпературную. Температура высокотемпературной нормализации обычно не превышает 950–980 °C, тогда как при низкотемпературной нормализации заготовку нагревают до эвтектоидного диапазона температур — 820–860 °C. После нормализации, как правило, требуется дополнительная обработка для снятия внутренних напряжений, возникающих в процессе нормализации.
4. Закалка и отпуск ковкого чугуна
Для улучшения механических свойств ковкого чугуна отливки обычно нагревают до температуры на 30–50 °C выше Afc1 (Afc1 — это конечная температура образования аустенита при нагреве) и после выдержки в этой температуре подвергают закалке в масло, получая мартенситную структуру. Чтобы надлежащим образом снизить остаточные напряжения после закалки, обычно после неё проводят отпуск. При низкотемпературном отпуске получается структура из отпущенного мартенсита, бейнита и сфероидального графита; такая структура обладает хорошей износостойкостью и применяется для деталей, требующих высокой износостойкости и прочности. Среднетемпературный отпуск осуществляется при температуре 350–500 °C; после него образуется структура из отпущенного троостита и сфероидального графита, что подходит для толстостенных деталей, требующих хорошей износостойкости, определённой стабильности и упругости. Высокотемпературный отпуск производится при 500–600 °C; в результате получается структура из отпущенного сорбита и сфероидального графита, обладающая хорошими комплексными свойствами — вязкостью и прочностью, поэтому широко используется в производстве.
5. Изотермическая закалка ковкого чугуна
Дуктильный чугун после изотермического закалки может обладать высокой прочностью, хорошей пластичностью и вязкостью. При выборе температуры нагрева для изотермической закалки главным образом учитывают необходимость получения полностью аустенитной исходной структуры без остаточного феррита, а также предотвращение роста зерна аустенита. Обычно температура нагрева составляет на 30–50 °C выше температуры Afc1, что обеспечивает получение нижнего бейнитного микроструктуры с оптимальными механическими свойствами. После изотермической закалки редкоземельного магниево‑алюминиевого сфероидального чугуна показатели прочности σb составляют 1200–1400 МПа, ударная вязкость αk — 3–3,6 Дж/см², твердость по шкале HRC — 47–51. Однако следует учитывать, что после изотермической закалки необходимо провести отпуск.
6. Поверхностная закалка
Для повышения поверхностной твёрдости, износостойкости и усталостной прочности некоторых отливок можно применять поверхностную закалку. Поверхностную закалку могут проходить как серые, так и ковкие чугунные отливки. Как правило, используются поверхностная закалка индукционным нагревом высокой (средней) частоты и электроконтактная поверхностная закалка.
7. Химическая термическая обработка
Для отливок, требующих поверхностной износостойкости, стойкости к окислению и коррозии, можно применять химические процессы термообработки, аналогичные используемым для стали, такие как газовая мягкая хлорирование, хлорирование, борирование, сульфидирование и др.