Доктилно желязо: свойства, маркировка и обхват

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 13:50

Чугунът е твърда, устойчива на корозия, но крехка желязо-въглеродна сплав със съдържание на въглерод C в диапазона от 2,14 до 6,67%. Въпреки наличието на характерни недостатъци, той има разнообразие от видове, свойства, приложения. Ковкото желязо е широко използвано.

История

Този материал е известен от 4-ти век пр.н.е. д. Китайските му корени са през VI век. пр.н.е д. В Европа първото споменаване на промишленото производство на сплавта датира от 14-ти, а в Русия - до 16-ти век. Но технологията за производство на ковък чугун е патентована в Русия през 19 век. По-късно разработено от A. D. Annosov.

Тъй като сивите чугуни са ограничени в употреба поради ниските механични свойства, а стоманите са скъпи и имат ниска твърдост и издръжливост, възникна въпросът за създаване на надежден, издръжлив, твърд метал, в същото време с повишена якост и известна пластичност.

Коването на чугун не е възможно, но поради своите пластични характеристики, той се поддава на някои видове обработка под налягане (например щамповане).

Производство

Основният начин -топене в доменни пещи.

Изходна суровина за обработка на доменни пещи:

• Партия - желязна руда, съдържаща метал под формата на ферум оксиди.
• Гориво - кокс и природен газ.
• Кислород - инжектиран чрез специални копия.
• Потоците са химически образувания на базата на манган и (или) силиций.

Етапи на доменната пещ:

1. Възстановяване на чисто желязо чрез химични реакции на желязна руда с кислород, доставян чрез копия.
2. Изгаряне на кокс и образуване на въглеродни оксиди.
3. Въглеродяване на чисто желязо в реакции с CO и CO_2.
4. Насищане на Fe_{3C с манган и силиций, в зависимост от необходимите изходни свойства.}
5. Източване на готовия метал във форми през чугунени отвори; изхвърляне на шлака през отвори за шлака.

В края на работния цикъл доменните пещи получават чугун, шлака и доменни газове.

Метални изделия за доменни пещи

В зависимост от скоростта на охлаждане, микроструктурата, насищането с въглерод и добавки е възможно да се получат няколко вида чугун:

1. Закупен (бял): свързан въглерод, първичен цементит. Използват се като суровина за топене на други желязо-въглеродни сплави, преработка. До 80% от цялата произведена сплав в доменните пещи.
2. Леярна (сив): въглерод под формата на напълно или частично свободен графит, а именно неговите плочи. Използва се за производство на части от тялото с ниска отговорност. До 19% от произведените отливки в доменни пещи.
3. Специални: богати на феросплави. 1-2% от разглеждания вид продукция.

Ковко чугун се получава чрез термична обработка на чугуна.

Теория на желязо-въглеродните структури

Въглеродът с ферум може да образува няколко различни вида сплави в зависимост от вида на кристалната решетка, която се показва в опцията за микроструктура.

1. Проникване на твърд разтвор в α-желязо - ферит.
2. Проникване на твърд разтвор в γ-желязо - аустенит.
3. Химично образуване Fe_{3C (свързано състояние) – цементит. Първичният се образува чрез бързо охлаждане от течна стопилка. Вторично - по-бавно понижение на температурата, от аустенит. Третично - постепенно охлаждане, от ферит.}
4. Механична смес от зърна ферит и цементит - перлит.
5. Механична смес от зърна от перлит или аустенит и цементит - ледебурит.

Чугуните имат специална микроструктура. Графитът може да бъде в свързана форма и да образува горните структури, или може да бъде в свободно състояние под формата на различни включвания. Свойствата се влияят както от основните зърна, така и от тези образувания. Графитните фракции в метала са плочи, люспи или топчета.

Ламеларната форма е характерна за сивото желязо-въглеродни сплави. Това ги прави крехки и ненадеждни.

Включения, подобни на люспи, имат ковки чугуни, които имат положителен ефект върху механичните им характеристики.

Сферичната структура на графита е още повечеподобрява качеството на метала, което влияе върху увеличаването на твърдостта, надеждността, излагането на значителни натоварвания. Високоякостният чугун има тези характеристики. Ковкият чугун определя неговите свойства чрез феритни или перлитни основи с наличието на люспести графитни включвания.

Производство на феритно пластично желязо

Произвежда се от хипоевтектоидна нисковъглеродна сплав от бяла свиня чрез отгряване на блокове със съдържание на въглерод 2,4-2,8% и наличието на съответстващи им добавки (Mn, Si, S, P). Дебелината на стените на отгряваните части трябва да бъде не повече от 5 см. За отливки със значителна дебелина графитът има формата на плочи и не се постигат желаните свойства.

За да се получи пластично желязо с феритна основа, металът се поставя в специални кутии и се поръсва с пясък. Плътно затворени контейнери се поставят в нагревателни пещи. Извършете следната последователност от действия по време на отгряване:

1. Конструкциите се загряват във фурни до температура от 1000 ˚C и се оставят да престоят при постоянна топлина за период от 10 до 24 часа. В резултат на това първичният цементит и ледебурит се разпадат.
2. Металът се охлажда до 720 ˚С заедно с пещта.
3. При температура от 720 ˚С се съхраняват дълго време: от 15 до 30 часа. Тази температура осигурява разлагането на вторичния цементит.
4. На последния етап се охлаждат отново заедно с работещата печка до 500 ˚С, след което се изваждат на въздух.

Такова технологично отгряване се нарича графитизиране.

След свършената работа, микроструктурата на материала еферит с люспести графитни зърна. Този тип се нарича "черносърдечен", защото прекъсването е черно.

Производство на перлитно пластично желязо

Това е вид желязо-въглеродна сплав, която също произлиза от хипоевтектоидно бяло, но съдържанието на въглерод в нея е повишено: 3-3,6%. За да се получат отливки с перлитна основа, те се поставят в кутии и се поръсват с натрошена прахообразна желязна руда или люспа. Самата процедура на отгряване е опростена.

1. Температурата на метала се повишава до 1000 ˚C, задържа се 60-100 часа.
2. Прохладни дизайни с фурна.

Поради изтощение под въздействието на топлината, в металната среда възниква дифузия: отделеният графит при разпадането на цементита частично напуска повърхностния слой на отгряваните части, утаявайки се върху повърхността на рудата или скалата. Получава се по-мек, по-пластичен и пластичен горен слой от "бело сърце" пластично желязо с твърд център.

Такова отгряване се нарича непълно. Осигурява разпадането на цимент и ледебурит в ламеларен перлит със съответния графит. При необходимост от гранулиран перлитен пластичен чугун с по-висока ударна якост и пластичност се прилага допълнително нагряване на материала до 720 ˚С. Това води до образуването на перлитни зърна с люспести графитни включвания.

Свойства, маркировки и приложения на феритно ковко желязо

Продължителното "затихване" на метала в пещта води до пълното разпадане на цимент и ледебурит до ферит. Благодарение натехнологични трикове се получава сплав с високо съдържание на въглерод - феритна структура, характерна за нисковъглеродната стомана. Самият въглерод обаче не изчезва никъде – той преминава от състояние, свързано с желязото, в свободно състояние. Температурният ефект променя формата на графитните включвания до люспеста.

Феритната структура причинява намаляване на твърдостта, увеличаване на стойностите на якост, наличието на такива характеристики като якост на удар и пластичност.

Маркиране на сферографитени чугуни от феритен клас: KCh30-6, KCh33-8, KCh35-10, KCh37-12, където:

KCh – обозначение на сорта – ковък;

30, 33, 35, 37: σ_v, 300, 330, 350, 370 N/mm^{2 - максимално натоварване че може да издържи, без да се срути;}

6, 8, 10, 12 – относително удължение, δ, % – индекс на пластичност (колкото по-висока е стойността, толкова повече металът може да се обработва под налягане).

Твърдост - около 100-160 HB.

Този материал по отношение на своите характеристики заема средна позиция между стомана и сива желязо-въглеродна сплав. Къстият чугун с феритна основа е по-нисък от перлитния по отношение на износоустойчивост, корозионна якост и якост на умора, но по-висок по отношение на механичната издръжливост, пластичността и характеристиките на леене. Поради ниската си цена, той се използва широко в индустрията за производство на части, работещи при ниски и средни натоварвания: зъбни колела, картери, задни мостове, водопровод.

Свойства, маркировки и приложения на перлитното ковко желязо

Поради непълно отгряване първичните, вторичните циментити и ледебурит имат време да се разтворят напълно в аустенит, който при температура 720 ˚С се превръща в перлит. Последният е механична смес от зърна от ферит и третичен цементит. Всъщност част от въглерода остава в свързана форма, определя структурата, а част се „освобождава“в люспест графит. В този случай перлитът може да бъде ламелен или гранулиран. Така се образува перлитно ковко желязо. Свойствата му се дължат на наситената, по-твърда и по-малко гъвкава структура.

Тези, в сравнение с феритните, имат по-високи антикорозионни, износоустойчиви свойства, здравината им е много по-висока, но по-ниски леярски характеристики и пластичност. Податливостта на механично натоварване се увеличава повърхностно, като същевременно се запазва твърдостта и вискозитета на сърцевината на продукта.

Маркиране на ковък чугун перлитен клас: KCh45-7, KCh50-5, KCh56-4, KCh60-3, KCh65-3, KCh70-2, KCh80-1, 5.

Първата цифра е обозначението на силата: 450, 500, 560, 600, 650, 700 и 800 N/mm2 съответно.

Второ - обозначението на пластичността: удължение δ,% - 7, 5, 4, 3, 3, 2 и 1, 5.

Перлитният ковък чугун се използва в машиностроенето и инструментите за конструкции, работещи при големи натоварвания - както статични, така и динамични: разпределителни валове, колянови валове, части на съединителя, бутала, свързващи пръти.

Термична обработка

Материалът, получен в резултат на топлинна обработка, а именно отгряване, може да бъде повторнода бъдат подложени на температурни влияния. Основната им цел е допълнително повишаване на здравината, устойчивостта на износване, устойчивостта на корозия и стареене.

1. Втвърдяването се използва за структури, изискващи висока твърдост и издръжливост; произведени чрез нагряване до 900 ˚С, частите се охлаждат със средна скорост около 100 ˚С/сек с машинно масло. Следва високо темпериране с нагряване до 650˚С и въздушно охлаждане.
2. Нормализацията се използва за средно големи прости части чрез загряване във фурна до 900 ˚С, задържане при тази температура за период от 1 до 1,5 часа и след това охлаждане на въздух. Осигурява троостит гранулиран перлит, неговата твърдост и надеждност при триене и износване. Използва се за получаване на антифрикционни ковки чугуни с перлитна основа.
3. Отгряването се повтаря при производството на антифрикция: нагряване - до 900 ˚С, дългосрочно задържане при тази топлина, охлаждане заедно с пещта. Осигурена е феритната или феритно-перлитната структура на антифрикционния пластичен чугун.

Отоплението на чугунени продукти може да се извършва локално или комбинирано. За локална употреба, високочестотни токове или ацетиленов пламък (втвърдяване). За сложни - отоплителни пещи. При локално нагряване само горният слой се втвърдява, докато неговата твърдост и здравина се увеличават, но пластичността и вискозитетът на сърцевината остават.

Важно е да се отбележи, че коването на чугун е невъзможно не само поради недостатъчна механичнахарактеристики, но и поради високата му чувствителност към рязък температурен спад, който е неизбежен при втвърдяване с водно охлаждане.

Ютии против триене

Този сорт се отнася както за ковки, така и за легирани, те са сиви (ASF), ковки (ASC) и високоякостни (ACS). За производството на ACHK се използва ковко желязо, което се отгрява или нормализира. Процесите се извършват с цел повишаване на механичните му свойства и формиране на нова характеристика - устойчивост на износване при триене с други части.

Маркирано: AChK-1, AChK-2. Използва се за производството на колянови валове, зъбни колела, лагери.

Влияние на добавките върху свойствата

В допълнение към желязо-въглеродната основа и графита, те съдържат и други компоненти, които също определят свойствата на чугуна: манган, силиций, фосфор, сяра и някои легиращи елементи.

Mangan увеличава течността на течния метал, устойчивостта на корозия и износоустойчивостта. Помага за увеличаване на твърдостта и здравината, свързва въглерода с желязото в химичната формула Fe_{3C, образуването на гранулиран перлит.}

Силицият също има положителен ефект върху течливостта на течната сплав, насърчава разграждането на цементит и освобождаването на графитни включвания.

Сярата е отрицателен, но неизбежен компонент. Намалява механичните и химичните свойства, стимулира образуването на пукнатини. Въпреки това, рационалното съотношение на съдържанието му с други елементи (например с манган) позволяваправилни микроструктурни процеси. Така че, при съотношение Mn-S от 0,8-1,2, перлитът се запазва по всяко време на температурни влияния. Когато съотношението се увеличи до 3, става възможно да се получи всяка необходима структура, в зависимост от посочените параметри.

Фосфорът променя течливостта към по-добро, влияе върху здравината, намалява якостта на удар и пластичността, влияе върху продължителността на графитизация.

Хромът и молибденът възпрепятстват образуването на графитни люспи, в някои съдържания допринасят за образуването на гранулиран перлит.

Волфрамът подобрява устойчивостта на износване в зони с висока температура.

Алуминий, никел, мед допринасят за графитизацията.

Чрез регулиране на количеството химични елементи, които съставляват сплавта желязо-въглерод, както и тяхното съотношение, е възможно да се повлияят крайните свойства на чугуна.

Предимства и недостатъци

Коктилното желязо е материал, който се използва широко в инженерството. Основните му предимства:

• висока твърдост, устойчивост на износване, здравина заедно с течливост;
• нормални характеристики на якост и пластичност;
• производственост при формоване, за разлика от сивите чугуни;
• различни опции за коригиране на свойства за конкретна част чрез методи на термична и химико-термична обработка;
• ниска цена.

Недостатъците включват индивидуални характеристики:

• крехкост;
• наличие на графитни включвания;
• лоша производителност на рязане;
• значително тегло на отливките.

Въпреки съществуващите недостатъци, ковкото желязо заема отговорно място в металургията и машиностроенето. От него се изработват такива важни части като колянови валове, части на спирачни накладки, зъбни колела, бутала, свързващи пръти. С незначително разнообразие от класове, ковкото желязо заема индивидуална ниша в индустрията. Използването му е типично за тези натоварвания, при които използването на други материали е малко вероятно.