Термообработка чугуна

Под термином сталь понимается такой сплав железа с углеродом, в котором содержится до 1,75% С. Сплавы с более высоким содержанием углерода называются чугунами. В зависимости от структуры чугуны подразделяются на две основные группы, а именно — серые чугуны, застывшие в графитной системе, и белые чугуны, застывшие в карбидной системе.

Структура серого чугуна состоит из феррита, феррита с перлитом или перлита с графитом. При одинаковом содержании углерода образованию графита способствуют большее содержание кремния и медленное охлаждение. Никель благоприятствует образованию графита и противодействует влиянию скорости охлаждения. Серый чугун хорошо обрабатывается, достаточно вязок, имеет твердость НВ 160—230 и обладает хорошими антифрикционными свойствами. Он пригоден для изготовления деталей машин — втулок, цилиндров, зубчатых колес, арматуры и т. д.

Структура белого чугуна состоит из перлита и ледебурита. При одинаковом содержании углерода образование такой структуры стимулируется, главным образом, наличием марганца и хрома, содержание кремния – незначительно. Образованию белого чугуна способствует также быстрое охлаждение. Белый чугун очень тверд (НВ~ 400), хрупок и трудно поддается обработке. Применяется для изготовления цилиндров, шаров шаровых мельниц, сопел пескоструйных аппаратов и других деталей, от которых требуется большая износостойкость, но главным образом служит исходным материалом для переработки на ковкий чугун.

Термическая обработка серого чугуна

Термическая обработка серого чугуна это — прежде всего отжиг для снятия напряжений, возникших в отливке вследствие неравномерного остывания. Эти напряжения можно устранить (так же, как и в стали) медленным нагревом до 450—550° С. В зависимости от величины отливки и толщины ее стенок эта температура поддерживается в течение от 1 до 5 ч, после чего следует медленное охлаждение. При таком отжиге никаких структурных изменений не происходит. Можно вместо отжига (особенно при крупных отливках) оставить отливку на длительный срок, вплоть до нескольких месяцев, «вылеживаться» для старения. Метод применим для станин, стоек, корпусных деталей тяжелых и точных металлообрабатывающих станков.

Полный (смягчающий) отжиг применяется, когда необходимо устранить твердость отбеленных участков (углов или граней) на отливке, которая должна пройти механическую обработку, (разумеется, что путем подбора надлежащего химического состава шихты, режима плавки и всей литейной техники необходимо предупреждать образование таких отбеленных участков). Если они все же образовались, то такой чугун можно смягчить медленным и осторожным нагревом до температуры 800—900° С. После выдержки в течение 2—6 ч (в зависимости от толщины стенок отливки и величины цементитных участков) отливку оставляют в печи для медленного остывания. При этом следует отливки, имеющие чистую поверхность, предохранять от обгорания, так как образующийся слой окалины трудно удалить как травлением, так и механическим способом (пескоструйной обработкой).

Термическое улучшение обычного чугуна почти не применяется, но часто термически улучшают легированные чугуны, особенно никелевые и хромоникелевые. Термическое улучшение состоит в закалке и отпуске. Отливку медленно нагревают до закалочной температуры 800—900° С; она должна быть тем ниже, чем выше содержание никеля. Скорость нагрева сообразуется с толщиной отливки (около 1 ч на каждые 25 мм толщины), прогрев до  требуемой температуры длится около получаса. После закалки в масле производится отпуск, температура которого зависит от того, требуется ли большая твердость или вязкость, и лежит в границах между 250 и 650° С. При нагреве до температуры свыше 300° С уменьшается твердость, но увеличивается прочность при изгибе.

Термически улучшенным чугуном часто заменяют сталь. Его успешно применяют также для изготовления крупных штампов.

Термическая обработка белого чугуна

Термическая обработка белого чугуна заключается в отжиге (называемом иногда томлением).

В зависимости от применяемого процесса получают ковкий чугун с белой (перлитный) или с черной сердцевиной (ферритный). Исходным материалом в том и другом случае служит чугун с химическим составом: 2,3 – 2,5% С;  0,5 – 1,2% Si;  0,5% Мп.

Ковкий чугун с белой сердцевиной получается следующим образом.

Отливки, предназначенные для отжига, загружают в чугунные горшки, а свободное пространство между ними заполняют мелко размолотой, содержащей кислород, железной рудой. Нагревают отливки быстро до температуры 900 – 1000° С, при этой температуре их выдерживают в течение 15—24 ч, в зависимости от толщины, после чего медленно охлаждают (со скоростью около 10°С/в час) до температуры 650° С. Дальнейшее охлаждение может протекать быстрее. В зависимости от величины печи весь процесс длится от 3 до б дней.

При отжиге белого чугуна происходит не только распад цементита, но и обезуглероживание поверхности на большую глубину, так что на поверхности образуется один лишь феррит, а в сердцевине — перлит и углерод отжига. Сердцевина также сильно обезуглерожена. Излом такого чугуна — крупнозернистый, блестящий; чугун довольно вязок.

Процесс получения ковкого чугуна с черной сердцевиной аналогичен описанному, но отливки отжигают в нейтральной среде (в песке, а не в руде); поэтому поверхность обезуглероживается незначительно. В изломе эти отливки имеют черный цвет, обусловленный тонко диспергированным углеродом отжига. Охлаждение до температуры 650°С  должно быть еще более медленным (около 3°С в час), чтобы не образовался перлит. Ковкий чугун с черной сердцевиной хорошо поддается обработке и его можно изгибать даже в холодном состоянии.

Особым видом ковкого чугуна являются подшипниковые чугуны с химическим составом: около 3,5% С; 0,5% Мп;  1,6% Si. Вкладыш для подшипника, отлитый из этого чугуна в кокиль, отжигают при температуре 860—900° С. Тонко диспергированный углерод (графит) придает этому чугуну хорошие антифрикционные свойства. В  некоторых случаях- этот чугун заменяет подшипниковые бронзы.

Сильно обезуглероженные поверхности очень мелких отливок из перлитного ковкого чугуна можно снова науглеродить (цементовать) и закалить. Однако этот способ применяется лишь для самых дешевых изделий.

Чугун можно также азотировать. Пример химического состава чугуна, пригодного для азотирования: 2,4—2,8% С; 2,4—2,8% Si;   0,5— 0,7% Мп; 0,6—1% А1; 1,2—1,8% Сг, или 0,2—0,6% Мо, или 0,15% V. Как и в случае стали, для азотирования лучше  всего подходит чугун с возможно мелкозернистой структурой. Сначала чугун должен быть отлит с получением тонкой структуры, а затем термически улучшен. Улучшение производится нагреванием до 950° С и охлаждением на воздухе; затем отливки отпускают на сорбитную структуру при 780— 800° С. После такой термической обработки чугун имеет твердость НВ 300—320. Процесс азотирования протекает так же, как при азотировании стали, только нарастание слоя происходит здесь медленнее.

Термическая обработка высокопрочного чугуна (с шаровидным графитом в структуре)

Высокопрочный чугун содержит свыше 1,7% С и перед отливкой модифицируется магнием для того, чтобы образовавшийся графит получил шаровидную, а не пластинчатую форму. В результате отжига при температуре немного ниже 738°  С получается распад карбида из перлита и выделившийся углерод осаждается тонким слоем на зернах графита. Основную массу образует здесь чистое железо, благодаря чему значительно увеличиваются тягучесть и вязкость при одновременном снижении прочности. Отожженный высокопрочный чугун похож на ковкий чугун с черной сердцевиной. В перлитном состоянии его можно закаливать или улучшать.