Термическая обработка чугуна

Чугуны подвергают упрочняющей, разупрочняющей, стабилизирующей, а также графитизирующей обработке.

Упрочняющая обработка возможна для чугунов, в структуре которых присутствует цементит. Чугуны, так же как и стали, подвергают закалке и отпуску.

При закалке чугун нагревают до температуры 850…950 °С для растворения цементита в аустените. Охлаждение осуществляют в воде или в масле. В результате закалки получают мартенсит, троостомартенсит или троостиг, помимо которых в структуре присутствует графит. Температуру отпуска (200…600 °С) выбирают в зависимости от требований к свойствам детали. Охлаждение после отпуска проводят на воздухе.

Для деталей из чугуна возможна и изотермическая закалка. Ее технология такая же, как и для сталей, — нагрев с целью растворения цементита в аустените; изотермическая выдержка в расплаве солей при температуре несколько выше Мн (200…400 °С). Время выдержки (10…90 мин) должно быть достаточным для изотермического распада аустенита. После такой закатки (отпуск не производится) структура чугуна представляет собой игольчатый троостит + + графит. В результате изотермической закалки повышаются твердость и прочность.

Объемная закалка выполняется для деталей небольших габаритов. Для упрочнения крупногабаритных деталей (например, направляющие станины станка) проводят поверхностную закалку. Нагрев производится кислородноацетиленовым пламенем, токами высокой частоты. Температура — 900…1000 °С. Охлаждение осуществляют водой или масляной эмульсией. В результате повышаются твердость, прочность и износостойкость поверхностного слоя.

Графитизирующая обработка — отжиг белого чугуна для получения ковкого рассмотрена выше.

К разупрочняющей обработке можно отнести смягчающий отжиг (отжиг графитизирующий низкотемпературный). Его проводят для улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности путем продолжительной выдержки при 680…700 °С (ниже точки А1) (см. рис. 7.5) или медленным охлаждением отливок. Время выдержки должно быть достаточным для полного или требуемого частичного распада эвтектоидного цементита (для серых чугунов время выдержки 1…4 ч, для ковких — до 60 ч). В результате такого отжига в структуре чугунов увеличивается количество феррита, твердость при этом снижается, обрабатываемость резанием улучшается.

Стабилизирующая обработка выполняется для базовых деталей станков и машин (станины, корпуса и т. п.), определяющих точность станка, агрегата. Для этих деталей весьма важно сохранение формы и размеров во времени. Изменения размеров могут происходить из-за наличия остаточных напряжений, возникших в процессе получения отливки (вследствие неравномерного охлаждения отдельных элементов заготовки) и (или) черновой механической обработки, выполняемой для отливок с большими припусками. В процессе эксплуатации возможна релаксация напряжений (они снижаются), вызывающая деформацию детали.

Стабилизация размеров чугунных деталей может быть достигнута за счет термической обработки, приводящей к снижению уровня остаточных напряжений, или за счет деформационного упрочнения чугуна.

Достаточно широкое распространение для снятия (снижения) остаточных напряжений получил низкотемпературный отжиг (температура отжига ниже критической точки A1). Его выполняют при 520…620 °С, время выдержки зависит от массы и конструкции отливки и составляет от 1 до 8 ч. Нагрев заготовки выполняют со скоростью 70…100 °С/ч; охлаждение до 200 °C после изотермической выдержки проводят медленно, с печью (20…50 °С/ч), чтобы предотвратить возникновение термических напряжений, далее — на воздухе. Такой отжиг не вызывает фазовых превращений, он снижает остаточные напряжения, при этом практически исключаются деформации в процессе эксплуатации.

Методы деформационного упрочнения основаны на том, что в результате приложенных нагрузок в материале отливки происходят микропластические деформации, они вызывают наклеп, т. е. повышение прочностных характеристик, что предотвращает развитие деформаций. На этом принципе основаны следующие технологии: старение естественное, искусственное и вибрационное; метод статических перегрузок.

Естественное старение заключается в длительном (от 3 мес. до 1,5…2 лет) вылеживании предварительно грубо механически обработанных отливок на открытом воздухе или в неотапливаемом помещении. При вылеживании вследствие постоянного изменения температур (суточного, сезонного) в отливке возникают дополнительные напряжения, вызывающие микропластические деформации и наклеп. Естественное старение — самый универсальный и надежный метод стабилизации размеров и формы отливок, оно пригодно для деталей любой конфигурации и массы. Недостаток — длительность процесса.

Искусственное старение осуществляют при повышенных температурах; длительность — несколько часов. Отливки загружают в печь, нагретую до 100…200 °С, нагревают до температуры 550…570 °С со скоростью 30…60 °С/ч, выдерживают 3…5 ч и охлаждают вместе с печью до 150…200 °С, а затем на воздухе.

Вибрационное старение происходит за счет воздействия на отливку принудительных циклических напряжений — вибраций. Во время вибрации в отливке возникают напряжения, вызывающие локальные пластические деформации (наклеп) чугуна и тем самым повышающие стойкость против последующего коробления. Эта технология наиболее эффективна для деталей, не обладающих высокой жесткостью, — одномерных или двухмерных (т.е. с одним или двумя преобладающими размерами).

Метод статической перегрузки характеризуется тем, что деталь подвергают воздействию внешних напряжений величиной 0,6…0,75 ?в. При этом происходят микропластические деформации, т. е. возникает наклеп.

Метод термоудара является деформационно-термическим старением и осуществляется путем быстрого нагрева и охлаждения всей детали или ее отдельных участков. Стойкость против коробления повышается за счет локального наклепа вследствие пластических деформаций, вызываемых температурными напряжениями. Термоудар выполняют следующим образом: заготовки помещают в печь с температурой более высокой, чем та, до которой следует нагревать заготовку. Выдержку осуществляют до тех пор, пока температура тонких стенок не достигнет заданной (200.400 °С). Затем следует достаточно резкое (для отливок) охлаждение — на воздухе. Метод наиболее эффективен для деталей высокой жесткости (трехмерных — коробчатой формы). Он не применим для крупногабаритных деталей, обладающих большой массой (свыше 3…5 т), из-за невозможности быстрого нагрева и охлаждения.