Закалка и отпуск

Закалка и отпуск изменяют структуру основной массы (матрицы) чугуна, полученной при отливке.

В результате закалки может быть получена либо ферритокарбидная смесь разной степени дисперсности, либо мартенситная структура.

При разработке технологии для термической обработки чугуна (закалки и отпуска) необходимо учитывать некоторые особенности превращений, свойственные чугуну.

Для чугуна тройного сплава (Fe – Si – C) с высоким содержанием кремния понятие о критической точке при нагреве иное, чем для стали.

При выборе температуры нагрева для закалки чугуна нужно учитывать положение двух эвтектоидных интервалов - метастабильного и стабильного превращений (структурообразование чугуна).

Серый чугун может иметь различную исходную структуру при разном количественном сочетании стабильной и метастабильной фаз.

Кроме того, в процессе нагрева ниже критического интервала протекает графитизация эвтектоидного цементита, т. е. увеличивается относительное количество стабильной фазы - графита.

Следовательно, при нагреве чугуна образование аустенита протекает как бы в две стадии: вначале идет образование аустенита за счет метастабильных фаз (феррита и цементита), затем при более высокой температуре продолжается образование аустенита за счет стабильных фаз (феррита и графита).

При закалке температура нагрева должна быть выше верхней границы стабильного интервала, для того чтобы в структуре после закалки чугуна не наблюдался феррит.

Для чугуна, содержащего до 2,5% кремния,феррит обнаруживается при закалке до 800⁰С, что и является границей эвтектоидного интервала при таком содержании кремния.

Увеличение содержания кремния до 3,5% повышает эту температуру до 900⁰С

Закалке обычно подвергается чугун, содержащий не более 2,0% кремния; температура нагрева должна превышать эту границу на 50-70⁰С, т.е. находиться в пределах 850 - 870⁰С.

Эта температура так же отвечает оптимальному пределу содержания углерода в аустените, что обеспечивает максимальную твердость чугуна после закалки.

Превышение температуры приводит к излишнему увеличению содержания углерода в аустените вследствие растворения графита, что приводит к увеличению количества остаточного аустенита в закаленном чугуне, снижает твердость после закалки.

Скорость нагрева при закалке должна быть достаточно высокой в тех пределах, которые не вызывают образования трещин, так как повышение скорости нагрева ослабляет графитизацию эвтектоидного цементита и уменьшает относительное количество стабильной фазы.

Выдержка при заданной температуре (850-870⁰С) должна обеспечить полный прогрев отливки по сечению и растворение графита.

Выдержка тем длиннее, чем больше феррита и меньше перлита, например, 10-15 мин для перлитных чугунов и до 1,5 – 2 часа для ферритных чугунов.

Многими исследованиями доказано, что графит растворяется в аустените относительно быстро; следовательно выдержка не должна быть быстрой.

Увеличение выдержки не приносит пользы, так как в аустените идет диффузия углерода и с увеличением выдержки увеличивается неоднородность аустенита по содержанию углерода.

Чугун подвергается как обычной закалке, так и изотермической обработке.

В качестве охлаждающей жидкости для обычной закалки применяется масло.

Чугун с пластинчатым графитом практически нечувствителен к охлаждающей жидкости.

Твердость после закалки в разных средах (с разной интенсивностью охлаждения) колеблется в пределах HRC 43,5 -45,5.

Закалка в воде не повышает твердость, но увеличивает склонность чугуна к трещинообразованию и способствует образованию закалочных трещин.

Повысить твердость чугуна с пластинчатым граффитом можно легированием элементами Mn, Cr, Ni, Mo, повышающими устойчивость аустенита и понижающими критическую скорость закалки.

В чугуне с глобулярным графитом при закалке может быть получена нормальная твердость (HRC 59-62). Однако в этом чугуне сильно выражена склонность к трещинообразованию при закалке, что так же вызывает необходимость закалки в масле.

Прокаливаемость серого чугуна, т.е. глубина проникновения мартенситной зоны при закалке, определяется его составом, главным образом по содержанию углерода и кремния, а так же формой графита.

Чугун с глобулярной формой графита прокаливается глубже и имеет на поверхности более высокую твердость.

Высокоуглеродистые и высококремнистые чугуны вследствие наличия грубого графита и малой устойчивости аустенита обладают низкой прокаливаемостью. Кремний не понижает устойчивости аустенита. Однако увеличение одного кремния или совместно с углеродом сильно понижает устойчивость аустенита вследствие усиления неоднородности аустенита по содержанию углерода.

Увеличение устойчивости аустенита, а следовательно, и увеличение прокаливаемости может быть достигнуто легированием чугуна элементами Mn, Cr, Ni, Mo.

Применение больших количеств этих элементов (выше10% Mn или Ni) дает аустенитную структуру как при отливке, так и при закалке (аустенитные чугуны).