Duktilno željezo: svojstva, označavanje i opseg

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 13:56

Lijevano željezo je tvrda, otporna na koroziju, ali lomljiva legura željeza i ugljika s udjelom ugljika C u rasponu od 2,14 do 6,67%. Unatoč prisutnosti karakterističnih nedostataka, ima različite vrste, svojstva, primjene. Nodularno željezo se široko koristi.

Povijest

Ovaj materijal je poznat od 4. stoljeća prije Krista. e. Njegovi kineski korijeni su u VI stoljeću. PRIJE KRISTA e. U Europi, prvi spomen industrijske proizvodnje legure datira iz 14. stoljeća, au Rusiji - do 16. stoljeća. Ali tehnologija za proizvodnju nodularnog željeza patentirana je u Rusiji u 19. stoljeću. Kasnije ga je razvio A. D. Annosov.

Budući da je sivi lijev ograničen u upotrebi zbog niskih mehaničkih svojstava, a čelici su skupi i imaju nisku tvrdoću i izdržljivost, postavilo se pitanje stvaranja pouzdanog, izdržljivog, tvrdog metala, koji u isto vrijeme ima povećanu čvrstoću i određenu plastičnost.

Kovanje lijevanog željeza nije moguće, ali zbog svojih duktilnih karakteristika, pogodno je za neke vrste tlačne obrade (na primjer, štancanje).

Proizvodnja

Glavni način -topljenje u visokim pećima.

Sirovina za preradu u visokim pećima:

• Serija - željezna ruda koja sadrži metal u obliku ferum oksida.
• Gorivo - koks i prirodni plin.
• Kisik - ubrizgava se kroz posebne koplje.
• Fluksi su kemijske formacije na bazi mangana i (ili) silicija.

Fazije visoke peći:

1. Obnavljanje čistog željeza kemijskim reakcijama željezne rude s kisikom koji se dovodi preko koplja.
2. Izgaranje koksa i stvaranje ugljičnih oksida.
3. Ugljičenje čistog željeza u reakcijama s CO i CO_2.
4. Zasićenje Fe_{3C manganom i silicijem, ovisno o potrebnim izlaznim svojstvima.}
5. Ispuštanje gotovog metala u kalupe kroz rupe od lijevanog željeza; ispuštanje troske kroz otvore za šljaku.

Na kraju radnog ciklusa, visoke peći primaju sirovo željezo, trosku i plinove iz visokih peći.

Metalni proizvodi visoke peći

Ovisno o brzini hlađenja, mikrostrukturi, zasićenosti ugljikom i aditivima, moguće je dobiti nekoliko vrsta lijevanog željeza:

1. Kupljeno (bijelo): vezani ugljik, primarni cementit. Koriste se kao sirovine za taljenje drugih legura željeza i ugljika, preradu. Do 80% sve proizvedene legure u visokim pećima.
2. Ljevaonica (siva): ugljik u obliku potpuno ili djelomično slobodnog grafita, odnosno njegove ploče. Koristi se za proizvodnju dijelova tijela niske odgovornosti. Do 19% proizvedenih odljevaka u visokim pećima.
3. Posebno: bogato ferolegurama. 1-2% razmatrane vrste proizvodnje.

Duktilno željezo se dobiva toplinskom obradom sirovog željeza.

Teorija željezo-ugljičnih struktura

Ugljik s ferumom može formirati nekoliko različitih vrsta legura prema vrsti kristalne rešetke, koja je prikazana na opciji mikrostrukture.

1. Prodiranje čvrste otopine u α-željezo - ferit.
2. Prodiranje čvrste otopine u γ-željezo - austenit.
3. Kemijska tvorba Fe_{3C (vezano stanje) – cementit. Primarni nastaje brzim hlađenjem iz tekuće taline. Sekundarni - sporiji pad temperature, od austenita. Tercijarno - postupno hlađenje, od ferita.}
4. Mehanička mješavina zrna ferita i cementita - perlita.
5. Mehanička mješavina zrna perlita ili austenita i cementita - ledeburit.

Lijevano željezo ima posebnu mikrostrukturu. Grafit može biti u vezanom obliku i tvoriti navedene strukture, ili može biti u slobodnom stanju u obliku raznih inkluzija. Na svojstva utječu i glavna zrna i ove formacije. Grafitne frakcije u metalu su ploče, pahuljice ili kuglice.

Lamelarni oblik karakterističan je za legure sivog željeza i ugljika. To ih čini krhkim i nepouzdanim.

Uključci nalik na pahuljice imaju kovno lijevano željezo, što ima pozitivan učinak na njihove mehaničke performanse.

Sferična struktura grafita je još većapoboljšava kvalitetu metala, utječući na povećanje tvrdoće, pouzdanosti, izloženosti značajnim opterećenjima. Lijevano željezo visoke čvrstoće ima ove karakteristike. Kovano lijevano željezo određuje svoja svojstva feritnim ili perlitnim bazama uz prisutnost inkluzija ljuskavog grafita.

Proizvodnja feritnog nodularnog željeza

Proizvodi se od hipoeutektoidne legure s niskim udjelom ugljika bijele svinje žarenjem ingota s udjelom ugljika od 2,4-2,8% i prisustvom odgovarajućih aditiva (Mn, Si, S, P). Debljina stijenki žarenih dijelova ne smije biti veća od 5 cm. Za odljevke značajne debljine grafit ima oblik ploča i ne postižu se željena svojstva.

Da bi se dobilo nodularno željezo s feritnom bazom, metal se stavlja u posebne kutije i posipa pijeskom. Čvrsto zatvorene posude stavljaju se u peći za grijanje. Provedite sljedeći slijed radnji tijekom žarenja:

1. Konstrukcije se zagrijavaju u pećnicama na temperaturu od 1.000 ˚C i ostavljaju stajati na konstantnoj toplini 10 do 24 sata. Kao rezultat, primarni cementit i ledeburit se raspadaju.
2. Metal se zajedno s peći ohladi na 720 ˚S.
3. Na temperaturi od 720 ˚S čuvaju se dugo: od 15 do 30 sati. Ova temperatura osigurava razgradnju sekundarnog cementita.
4. U završnoj fazi ponovno se ohlade zajedno s radnom peći na 500 ˚S, a zatim se vade na zrak.

Takvo tehnološko žarenje naziva se grafitiziranje.

Nakon obavljenog posla, mikrostruktura materijala jeferit s ljuskavim grafitnim zrncima. Ovaj se tip naziva "crno-srčan" jer je prekid crn.

Proizvodnja perlitnog nodularnog željeza

Ovo je vrsta legure željeza i ugljika, koja također potječe od hipoeutektoidne bijele boje, ali je u njoj povećan sadržaj ugljika: 3-3,6%. Za dobivanje odljevaka s perlitnom bazom stavljaju se u kutije i posipaju zdrobljenom željeznom rudom ili ljuskom. Sam postupak žarenja je pojednostavljen.

1. Temperatura metala se povećava na 1.000 ˚C, održava se 60-100 sati.
2. Dizajni hladni s pećnicom.

Usljed klonulosti pod utjecajem topline dolazi do difuzije u metalnom okruženju: grafit koji se oslobađa pri raspadu cementita djelomično napušta površinski sloj žarenih dijelova, taloži se na površini rude ili kamenca. Dobiva se mekši, duktilniji i duktilniji gornji sloj nodularnog željeza "bijelog srca" s tvrdim središtem.

Takvo žarenje se naziva nepotpunim. Osigurava razgradnju cementita i ledeburita u lamelarni perlit s pripadajućim grafitom. Ako je potrebno granulirano perlitno nodularno željezo veće udarne čvrstoće i duktilnosti, primjenjuje se dodatno zagrijavanje materijala do 720 ˚S. To rezultira stvaranjem perlitnih zrnaca s inkluzijama ljuskavog grafita.

Svojstva, oznake i primjena feritnog nodularnog željeza

Dugo "tamnjenje" metala u peći rezultira potpunim raspadom cementita i ledeburita u ferit. Zahvaljujućitehnološkim trikovima, dobiva se legura s visokim udjelom ugljika - feritna struktura karakteristična za čelik s niskim udjelom ugljika. Međutim, sam ugljik nigdje ne nestaje – on prelazi iz stanja vezanog za željezo u slobodno stanje. Temperaturni učinak mijenja oblik inkluzija grafita u ljuspice.

Feritna struktura uzrokuje smanjenje tvrdoće, povećanje vrijednosti čvrstoće, prisutnost karakteristika kao što su udarna čvrstoća i duktilnost.

Označavanje nodularnog lijeva feritne klase: KCh30-6, KCh33-8, KCh35-10, KCh37-12, gdje je:

KCh – oznaka sorte – savitljiv;

30, 33, 35, 37: σ_v, 300, 330, 350, 370 N/mm^{2 - maksimalno opterećenje da može izdržati bez urušavanja;}

6, 8, 10, 12 – relativno istezanje, δ, % – indeks duktilnosti (što je vrijednost veća, više se metal može obraditi pritiskom).

Tvrdoća - oko 100-160 HB.

Ovaj materijal, u pogledu svojih performansi, zauzima srednju poziciju između čelika i legure sivog željeza i ugljika. Nodularno lijevano željezo s feritnom bazom inferiorno je od perlitnog u pogledu otpornosti na habanje, korozijske i zamorne čvrstoće, ali veće u pogledu mehaničke izdržljivosti, duktilnosti i karakteristika lijevanja. Zbog niske cijene, široko se koristi u industriji za proizvodnju dijelova koji rade pod malim i srednjim opterećenjem: zupčanici, kućišta radilice, stražnje osovine, vodovod.

Svojstva, oznake i primjena perlitnog nodularnog željeza

Zbog nepotpunog žarenja primarni, sekundarni cementiti i ledeburit imaju vremena da se potpuno otapaju u austenitu, koji na temperaturi od 720 ˚S prelazi u perlit. Potonji je mehanička mješavina zrnaca ferita i tercijalnog cementita. Zapravo, dio ugljika ostaje u vezanom obliku, određuje strukturu, a dio se "oslobađa" u ljuskavi grafit. U ovom slučaju perlit može biti lamelaran ili zrnat. Tako nastaje perlitno nodularno željezo. Svojstva su posljedica njegove zasićene, tvrđe i manje savitljive strukture.

Ovi, u usporedbi s feritnim, imaju veća antikorozivna svojstva, otpornost na habanje, njihova čvrstoća je mnogo veća, ali niže karakteristike lijevanja i duktilnost. Podatljivost na mehanička naprezanja povećana je površinski, uz zadržavanje tvrdoće i viskoznosti jezgre proizvoda.

Označavanje perlitne klase kovanog lijevanog željeza: KCh45-7, KCh50-5, KCh56-4, KCh60-3, KCh65-3, KCh70-2, KCh80-1, 5.

Prva znamenka je oznaka čvrstoće: 450, 500, 560, 600, 650, 700 i 800 N/mm2 respektivno.

Drugi - oznaka plastičnosti: istezanje δ,% - 7, 5, 4, 3, 3, 2 i 1, 5.

Perlitsko kovno lijevano željezo koristi se u strojarstvu i instrumentaciji za konstrukcije koje rade pod velikim opterećenjima - statičkim i dinamičkim: bregaste osovine, radilice, dijelovi spojke, klipovi, klipnjače.

toplinska obrada

Materijal dobiven kao rezultat toplinske obrade, odnosno žarenja, može se ponovnobiti podvrgnuti temperaturnim utjecajima. Njihov glavni cilj je dodatno povećati čvrstoću, otpornost na habanje, otpornost na koroziju i starenje.

1. Stvrdnjavanje se koristi za strukture koje zahtijevaju visoku tvrdoću i žilavost; proizvedeno zagrijavanjem do 900 ˚S, dijelovi se hlade prosječnom brzinom od oko 100 ˚S/sec pomoću strojnog ulja. Slijedi visoko kaljenje sa zagrijavanjem do 650˚S i hlađenjem na zrak.
2. Normalizacija se koristi za jednostavne dijelove srednje veličine zagrijavanjem u pećnici na 900 ˚S, držanjem na ovoj temperaturi u periodu od 1 do 1,5 sat i zatim hlađenjem na zraku. Pruža troostitni granulirani perlit, njegovu tvrdoću i pouzdanost kod trenja i trošenja. Koristi se za dobivanje kovanog lijevanog željeza protiv trenja s perlitnom bazom.
3. Žarenje se ponavlja u proizvodnji antifrikcije: zagrijavanje - do 900 ˚S, dugotrajno držanje na ovoj toplini, hlađenje zajedno s peći. Osigurana je feritna ili feritno-perlitna struktura nodularnog željeza protiv trenja.

Zagrijavanje proizvoda od lijevanog željeza može se provoditi lokalno ili u kombinaciji. Za lokalnu upotrebu, visokofrekventne struje ili acetilenski plamen (otvrdnjavanje). Za složene - peći za grijanje. Lokalnim zagrijavanjem samo se gornji sloj stvrdnjava, dok mu se povećava tvrdoća i čvrstoća, ali ostaje plastičnost i viskoznost jezgre.

Ovdje je važno istaknuti da je kovanje lijevanog željeza nemoguće ne samo zbog nedovoljne mehaničkekarakteristike, ali i zbog svoje visoke osjetljivosti na oštar pad temperature, koji je neizbježan kod stvrdnjavanja vodenim hlađenjem.

Nodularna glačala protiv trenja

Ova se sorta odnosi i na kovne i na legirane, one su sive (ASF), savitljive (ASC) i visoke čvrstoće (ACS). Za proizvodnju ACHK koristi se nodularno željezo, koje se žari ili normalizira. Procesi se provode kako bi se povećala njegova mehanička svojstva i formirala nova karakteristika - otpornost na habanje pri trenju s drugim dijelovima.

Označeno: AChK-1, AChK-2. Koristi se za proizvodnju radilica, zupčanika, ležajeva.

Utjecaj aditiva na svojstva

Osim baze željezo-ugljik i grafita, sadrže i druge komponente koje također određuju svojstva lijevanog željeza: mangan, silicij, fosfor, sumpor i neke legirajuće elemente.

Mangan povećava fluidnost tekućeg metala, otpornost na koroziju i otpornost na habanje. Pomaže povećati tvrdoću i čvrstoću, veže ugljik sa željezom u kemijskoj formuli Fe_{3C, stvaranje granuliranog perlita.}

Silicij također ima pozitivan učinak na fluidnost tekuće legure, potiče razgradnju cementita i oslobađanje inkluzija grafita.

Sumpor je negativna, ali neizbježna komponenta. Smanjuje mehanička i kemijska svojstva, potiče stvaranje pukotina. Međutim, racionalan omjer njegovog sadržaja s drugim elementima (na primjer, s manganom) dopuštaispravne mikrostrukturne procese. Dakle, pri omjeru Mn-S od 0,8-1,2, perlit je očuvan u bilo kojem trenutku temperaturnih utjecaja. Kada se omjer poveća na 3, postaje moguće dobiti bilo koju potrebnu strukturu, ovisno o navedenim parametrima.

Fosfor mijenja fluidnost na bolje, utječe na čvrstoću, smanjuje udarnu čvrstoću i duktilnost, utječe na trajanje grafitizacije.

Krom i molibden ometaju stvaranje grafitnih pahuljica, u nekim sadržajima doprinose stvaranju zrnastog perlita.

Volfram poboljšava otpornost na habanje u područjima s visokim temperaturama.

Aluminij, nikal, bakar doprinose grafitizaciji.

Prilagođavanjem količine kemijskih elemenata koji čine slitinu željezo-ugljik, kao i njihovog omjera, moguće je utjecati na konačna svojstva lijevanog željeza.

Prednosti i nedostaci

Duktilno željezo je materijal koji se široko koristi u inženjerstvu. Njegove glavne prednosti:

• visoka tvrdoća, otpornost na habanje, čvrstoća zajedno s fluidnošću;
• normalne karakteristike žilavosti i duktilnosti;
• proizvodljivost u oblikovanju, za razliku od sivog lijeva;
• razne mogućnosti korekcije svojstava za određeni dio metodama termičke i kemijsko-termalne obrade;
• niska cijena.

Nedostaci uključuju pojedinačne karakteristike:

• fragility;
• prisutnost inkluzija grafita;
• loše performanse rezanja;
• znatna težina odljevaka.

Unatoč postojećim nedostacima, nodularno željezo zauzima odgovorno mjesto u metalurgiji i strojarstvu. Od njega se izrađuju tako važni dijelovi kao što su radilice, dijelovi kočionih pločica, zupčanici, klipovi, klipnjače. Imajući beznačajnu raznolikost razreda, nodularno željezo zauzima pojedinačnu nišu u industriji. Njegova je upotreba tipična za ona opterećenja kod kojih je malo vjerojatna upotreba drugih materijala.