1.3.1. Изотермическая закалка

Изотермическая закалка заключается в последовательном проведении двух основных операций: 1) аустенизации, т. е. нагрева до температуры закалки и выдержки; 2) переохлаждения аустенита с последующим его распадом в изотермических условиях при температурах от 250-300 до 450-500 °C.

В изотермических условиях аустенит, переохлаждённый до температур максимальной устойчивости, распадается на феррит и цементит, но образует при этом особый вид структурной составляющей – бейнит. Бейнитное превращение в чугунах начинается с образования игл или пластинок феррита. По мере развития процесса превращения пластинки сливаются, заклинивая оставшиеся участки аустенита. Процесс заканчивается распадом остаточного аустенита на смесь феррита и цементита. В легированных чугунах бейнитное превращение протекает замедленно, для полного завершения его требуется длительная изотермическая выдержка при температуре 400 °C и выше. В промышленных условиях время выдержки отливок редко превышает 3 - 4 ч. При этом бейнитное превращение не реалезуется до конца. Оставшийся аустенит при последующем охлаждении до нормальных условий может частично превращаться в мартенсит. Но основное его количество сохраняется. В специальных легированных чугунах доля остаточного аустенита после изотермической закалки составляет 20 – 50 %.

Изотермическая закалка позволяет улучшить механические свойства легированных чугунных отливок. Кроме того, достигается полная релаксация термических и фазовых напряжений в отливках. Устраняется опасность появления закалочных трещин, что характерно для отливок из легированных чугунов.

1.3.2. Нормализация

Нормализация отливок из специальных чугунов заключается в нагреве до температур аустенизации, выдержки при этой температуре и спокойном охлаждении на воздухе.

При нормализации легированных чугунов возможности регулирования структуры и свойств отливок существенно расширяются. В зависимости от химического состава (степени легированности) чугуна при нормализации можно получать практически любое из структурных состояний, возникающих в результате перлитного, промежуточного и мартенситного превращений переохлаждённого аустенита. Нормализация высоколегированных чугунов способствует и стабилизации аустенитного состояния.

Как говорилось выше, практически все легирующие элементы повышают устойчивость переохлаждённого аустенита, особенно сильно это проявляется при комплексном легировании. Ряд влияния легирующих элементов на степень устойчивости аустенита по возрастанию можно представить следующим образом:

Ni → Cr → Mn → W → Mo.

В небольших количествах Si и Al замедляют превращение аустенита в перлит. Кобальт является единственным элементом, ускоряющим перлитное превращение.

По отношению к промежуточному превращению влияние всех легирующих элементов проявляется в уменьшении скорости его протекания. И лишь при значительных концентрациях легирующих добавок (например, Mn или Cr > 10 %) промежуточное превращение полностью подавляется.

Таким образом, в легированных чугунах с содержанием суммарного количества легирующих элементов ≤ 4 % перлитное и бейнитное превращения аустенита не подавляются. При нормализации отливок из таких чугунов возможно перекрытие процессов бейнитного и перлитного превращений. Отливки приобретают очень высокую твёрдость и разнотипность структуры по сечению. Особенно это ярко проявляется в сложнолегированных чугунах.

При простом же легировании неоднородность в структуре проявляется только в степени дисперсности ферритокарбидной смеси, образующейся в результате перлитного превращения переохлаждённого аустенита. Разнотипность структуры, её неоднородность, а также возникающие при нормализации отливок высокие напряжения обуславливают необходимость проведения отпуска (низкого или высокого). Температура отпуска выбирается в зависимости от конечных свойств отливок. Если требуется повысить пластичность и вязкость, то отпуск проводят при повышенных температурах 550 - 670 °C. Если по условиям эксплуатации требуется повышенная износостойкость и твёрдость отливок, то температура отпуска 200-300 °C.