Термическая обработка чугуна

В машиностроении применяют отливки из серого, ковкого и высокопрочного чугуна. Эти чугуны отличаются от белого чугуна тем, что у них весь углерод или большая его часть находится в сво­бодном состоянии в виде графита (а у белого чугуна весь углерод находится в виде цементита).

Структура указанных чугунов состоит из металлической основы аналогично стали (перлит, феррит) и неметаллических включений — графита.

Серый, ковкий и высокопрочный чугуны отличаются друг от дру­га в основном формой графитовых включений. Это и определяет раз­личие механических свойств указанных чугунов.

У серого чугуна графит (при рассмотрении под микро­скопом) имеет форму пластинок.

Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нару­шает сплошность металлической основы и действует как надрез или мелкая трещина. Чем крупнее и прямолинейнее формы графи­товых включений, тем хуже механические свойства серого чугуна.

Основное отличие высокопрочного чу­гуна заключается в том, что графит в нем имеет шаровидную (ок­ругленную) форму. Такая форма графита лучше пластинчатой, так как при этом значительно меньше нарушается сплошность металли­ческой основы.

Ковкий чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевид­ной формы — углерод отжига.

Механические свойства рассматриваемых чугунов можно улуч­шить термической обработкой. При этом необходимо помнить, что в чугунах создаются значительные внутренние напряжения, поэто­му нагревать чугунные отливки при термической обработке следу­ет медленно, чтобы избежать образования трещин.

Отливки из чугуна подвергают следующим видам термической обработки.

Низкотемпературный отжиг. Чтобы снять внутренние напря­жения и стабилизовать размеры чугунных отливок из серого чугуна, применяют естественное старение или низкотемпературный от­жиг.

Более старым способом является естественное  старе­ние, при котором отливка после полного охлаждения претерпева­ет длительное вылеживание — от 3—5 месяцев до нескольких лет. Естественное старение применяют в том случае, когда нет требуемо­го оборудования для отжига. Этот способ в настоящее время почти не применяют; производят главным образом низкотемпературный отжиг. Для этого отливки после полного затвердевания укладыва­ют в холодную печь (или печь с температурой 100—200° С) и вместе с ней медленно, со скоростью 75—100° С в час нагревают до 500— 550° С, при этой температуре их выдерживают 2—5 часов и охлаж­дают до 200° С со скоростью 30—50° в час, а затем на воздухе.

Графитизирующий отжиг.

При отливке изделий возможен час­тичный отбел серого чугуна с поверхности или даже по всему сечению. Чтобы устранить отбел и улучшить обрабатываемость чугуна, производится высокотемпературный графитизирующий отжиг с вы­держкой при температуре 900—950° С в течение 1—4 часов и охлаж­дением изделий до 250—300° С вместе с печью, а затем на воздухе. При таком отжиге в отбеленных участках цементит Fe₃Cраспадает­ся на феррит и графит, вследствие чего белый или половинчатый чугун переходит в серый.

Нормализация.

Нормализации подвергают отливки простой фор­мы и небольших сечений. Нормализация проводится при 850—900° С с выдержкой 1—3 часа и последующим охлаждением отливок на воз­духе. При таком нагреве часть углерода-графита растворяется в аустените; после охлаждения на воздухе металлическая основа полу­чает структуру трооститовидного перлита с более высокой твер­достью и лучшей сопротивляемостью износу. Для серого чугуна нормализацию применяют сравнительно редко, более широко приме­няют закалку с отпуском.

Закалка.

Повысить прочность серого чугуна можно его закалкой. Она производится с нагревом до 850—900° С и охлаждением в воде. Закалке можно подвергать как перлитные, так и ферритные чугу­ны. Твердость чугуна после закалки достигает НВ 450—500. В структуре закаленного чугуна имеются мартенсит со значительным количеством остаточного аустенита и выделения графита. Эффек­тивным методом повышения прочности и износоустойчивости серого чугуна является изотермическая закалка, которая производится ана­логично закалке стали.

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом можно под­вергать пламенной или высокочастотной поверхностной закалке. Чугунные детали после такой обработки имеют высокую поверхностную твердость, вязкую сердцевину и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам и истиранию.

Легированные серые чугуны и высокопрочные магниевые чугуны иногда подвергают азотированию. Поверхностная твердость азоти­рованных чугунных изделий достигает HV600—800° С; такие дета­ли имеют высокую износоустойчивость. Хорошие результаты дает сульфидирование чугуна; так, например, сульфидированные порш­невые кольца быстро прирабатываются, хорошо сопротивляются ис­тиранию, и срок их службы повышается в несколько раз.

Отпуск.

Чтобы снять закалочные напряжения, после закалки производят отпуск. Детали, предназначенные для работы на истира­ние, проходят низкий отпуск при температуре 200—250° С. Чугун­ные отливки, не работающие на истирание, подвергаются высокому отпуску при 500—600° С. При отпуске закаленных чугунов твер­дость понижается значительно меньше, чем при отпуске стали. Это объясняется тем, что в структуре закаленного чугуна большое ко­личество остаточного аустенита, а также тем, что в нем содержится большое количество кремния, который повышает отпускоустойчивость мартенсита.

Для отжига на ковкий чугун применяют белый чугун примерно следующего химического состава: 2,5—3,2% С; 0,6—0,9% Si; 0,3— 0,4% Μη; 0,1-0,2% Ρ и 0,06-0,1% S.

Существуют два способа отжига на ковкий чугун:

графитизирующий  отжиг в нейтральной среде, основанный на разложении цементита на феррит и углерод отжига;

обезуглероживающий  отжиг в окислительной среде, основанный на выжигании углерода.

Отжиг на ковкий чугун по второму способу занимает 5—6 суток, поэтому в настоящее время ковкий чугун получают главным обра­зом графитизацией. Отливки, очищенные от песка и литников, упаковывают в металлические ящики либо укладывают на поддоне, а затем подвергают отжигу в методических, камерных и других от­жигательных печах.

Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации. Первая стадия заключается в равномерном нагреве отливок до 950—1000° С свыдержкой 10—25 часов; затем температуру понижают до 750— 720° С при скорости охлаждения 70—100° С в час. На второй ста­дии при температуре 750—720° С дается выдержка 15—30 часов, затем отливки охлаждаются вместе с печью до 500—400° С и при этой температуре извлекаются на воздух, где охлаждаются с произ­вольной скоростью. При таком ступенчатом отжиге в области темпе­ратур 950—1000° С идет распад (графитизация) цементита. В ре­зультате отжига по такому режиму структура ковкого чугуна пред­ставляет собой зерна феррита с включениями гнезд углерода отжи­га — графита.

Перлитный ковкий чугун получается в результате неполного от­жига: после графитизации при 950—1000° С чугун охлаждается вместе с печью. Структура перлитного ковкого чугуна состоит из перлита и углерода отжига.

Чтобы повысить вязкость, перлитный ковкий чугун подвергают сфероидизации при температуре 700—750° С, что создает структуру зернистого перлита.

Чтобы ускорить процесс отжига на ковкий чугун, изделия из белого чугуна подвергают закалке, затем проводят графитизацию при 1000—1100° С Ускорение графитизации закаленных чугунов при отжиге объясняется наличием большого количества центров графитизации, образовавшихся при закалке. Это дает возможность сократить время отжига закаленных отливок до 15—7 часов.

Термическая обработка ковкого чугуна.

Чтобы повысить проч­ность и износоустойчивость, ковкие чугуны подвергают нормализа­ции или закалке с отпуском. Нормализация ковкого чугуна произ­водится при 850—900° С с выдержкой при этой температуре 1—1,5 часа и охлаждением на воздухе. Если заготовки имеют повышенную твердость, их следует подвергать высокому отпуску при 650—680° С с выдержкой 1—2 часа.

Иногда ковкий чугун подвергают закалке, чтобы получить более высокую прочность и износоустойчивость за счет снижения плас­тичности. Температура нагрева под закалку, та же, что и при нор­мализации; охлаждение в воде или масле, а отпуск — в зависимости от требуемой твердости, обычно при температуре 650—680° С. Быст­рое охлаждение может производиться непосредственно после первой стадии графитизации при достижении температуры 850—880° С с последующим высоким отпуском. Для ковкого чугуна применяют закалку токами высокой частоты или кислородо-ацетиленовым пламенем; при этом может быть достигнута высокая твердость поверх­ностного слоя при достаточной пластичности основной массы. Ме­тод такой закалки тормозных колодок из ферритного ковкого чугуна заключается в нагреве деталей токами высокой частоты до 1000— 1100° С с выдержкой 1—2 минуты и последующим быстрым ох­лаждением.

Структура закаленного слоя состоит из мартенсита и углеро­да отжига HRC56—60.

Ковкий чугун по сравнению со сталью более дешевый материал; он обладает хорошими механическими свойствами и высокой кор­розионной стойкостью (таблица). Поэтому детали из ковкого чугу­на широко применяются в сельскохозяйственном машиностроении, автотракторной промышленности, станкостроении (для изготовле­ния зубчатых колес, звеньев цепей, задних мостов, кронштейнов, тормозных колодок и пр.) и в других отраслях народного хо­зяйства.

Таблица

Механические свойства отливок из ковкого чугуна

Примечание. КЧ - означает ковкий чугун, первые две цифры — предел прочнос­ти при растяжении, вторые — относительное удлинение.