Duktilno željezo: svojstva, označavanje i opseg

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-02 13:51

Liveno gvožđe je tvrda, otporna na koroziju, ali lomljiva legura gvožđa i ugljenika sa sadržajem ugljenika C u rasponu od 2,14 do 6,67%. Unatoč prisutnosti karakterističnih nedostataka, ima različite vrste, svojstva, primjene. Nodularno željezo se široko koristi.

Historija

Ovaj materijal je poznat od 4. vijeka prije nove ere. e. Njeni kineski koreni su u VI veku. BC e. U Evropi, prvi spomen industrijske proizvodnje legure datira iz 14., au Rusiji - iz 16. veka. Ali tehnologija za proizvodnju nodularnog gvožđa patentirana je u Rusiji u 19. veku. Kasnije je razvio A. D. Annosov.

Budući da su sivi liveni gvožđe ograničeni u upotrebi zbog niskih mehaničkih svojstava, a čelici su skupi i imaju malu tvrdoću i izdržljivost, postavilo se pitanje stvaranja pouzdanog, izdržljivog, tvrdog metala, koji istovremeno ima povećanu čvrstoću i određenu plastičnost.

Kovanje livenog gvožđa nije moguće, ali je zbog svojih duktilnih karakteristika pogodno za neke vrste obrade pod pritiskom (na primer, štancanje).

Proizvodnja

Glavni način -topljenje u visokim pećima.

Sirovina za preradu visoke peći:

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

Fazije visoke peći:

1. Oporavak čistog gvožđa hemijskim reakcijama željezne rude sa kiseonikom koji se dovodi preko koplja.
2. Sagorevanje koksa i stvaranje ugljen-oksida.
3. Kaburizacija čistog gvožđa u reakcijama sa CO i CO_2.
4. Zasićenje Fe_{3C manganom i silicijumom, u zavisnosti od potrebnih izlaznih svojstava.}
5. Ispuštanje gotovog metala u kalupe kroz otvore od livenog gvožđa; ispuštanje šljake kroz otvore za šljaku.

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

Metalni proizvodi visoke peći

U zavisnosti od brzine hlađenja, mikrostrukture, zasićenosti ugljenikom i aditivima, moguće je dobiti nekoliko vrsta livenog gvožđa:

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

Duktilno gvožđe se dobija toplotnom obradom sirovog gvožđa.

Teorija gvožđe-ugljičnih struktura

Ugljik sa ferumom može formirati nekoliko različitih tipova legura prema tipu kristalne rešetke, koja je prikazana na opciji mikrostrukture.

1. Prodiranje čvrstog rastvora u α-gvožđe - ferit.
2. Prodiranje čvrstog rastvora u γ-gvožđe - austenit.
3. Hemijska formacija Fe_{3C (vezano stanje) – cementit. Primarni nastaje brzim hlađenjem iz tečnog rastopa. Sekundarni - sporiji pad temperature, od austenita. Tercijarni - postepeno hlađenje, od ferita.}
4. Mehanička mješavina zrna ferita i cementita - perlita.
5. Mehanička mješavina zrna perlita ili austenita i cementita - ledeburit.

Liveno gvožđe ima posebnu mikrostrukturu. Grafit može biti u vezanom obliku i formirati 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, ljuspice ili kuglice.

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

Inkluzije nalik na pahuljice imaju kovno liveno gvožđe, koje pozitivno utiče 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 liveno gvožđe određuje svoja svojstva feritnim ili perlitnim bazama sa prisustvom inkluzija ljuskavog grafita.

Proizvodnja feritnog nodularnog gvožđa

Proizvodi se od bele svinjske hipoeutektoidne niskougljične legure žarenjem ingota sa sadržajem ugljenika od 2,4-2,8% i prisustvom odgovarajućih aditiva (Mn, Si, S, P). Debljina zidova žarenih dijelova ne bi trebala biti veća od 5 cm. Za odljevke značajne debljine grafit ima oblik ploča i ne postižu se željena svojstva.

Da bi se dobilo nodularno gvožđe sa feritnom bazom, metal se stavlja u posebne kutije i posipa peskom. Čvrsto zatvorene posude stavljaju se u peći za grijanje. Izvedite sljedeći slijed radnji tokom žarenja:

1. Konstrukcije se zagrevaju u pećnicama na temperaturu od 1.000 ˚C i ostavljaju da stoje na konstantnoj toploti u periodu od 10 do 24 sata. Kao rezultat, primarni cementit i ledeburit se raspadaju.
2. Metal se ohladi na 720 ˚S zajedno sa peći.
3. Na temperaturi od 720 ˚S čuvaju se dugo: od 15 do 30 sati. Ova temperatura osigurava razgradnju sekundarnog cementita.
4. U završnoj fazi se ponovo ohlade zajedno sa radnom šporetom na 500 ˚S, a zatim izbacuju na vazduh.

Ovakvo tehnološko žarenje se zove grafitiziranje.

Nakon obavljenog posla, mikrostruktura materijala jeferit sa ljuskavim grafitnim zrncima. Ovaj tip se naziva "crnodušnim" jer je prekid crn.

Proizvodnja perlitnog nodularnog gvožđa

Ovo je vrsta legure gvožđa i ugljenika, koja takođe potiče od hipoeutektoidne bele, ali je u njoj povećan sadržaj ugljenika: 3-3,6%. Da bi se dobili odljevci s perlitnom bazom, stavljaju se u kutije i posipaju zdrobljenom željeznom rudom u prahu ili ljuskom. Sama procedura žarenja je pojednostavljena.

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

Usled klonulosti pod uticajem toplote dolazi do difuzije u metalnom okruženju: grafit koji se oslobađa pri raspadu cementita delimično napušta površinski sloj žarenih delova, taloži se na površini rude ili kamenca. Dobija se mekši, duktilniji i duktilniji gornji sloj od "bijelog" nodularnog gvožđa sa tvrdim središtem.

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

Svojstva, oznake i primjena feritnog nodularnog gvožđa

Dugo "tamnjenje" metala u peći rezultira potpunim raspadom cementita i ledeburita u ferit. Hvala zatehnološkim trikovima, dobiva se legura s visokim sadržajem 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 efekat mijenja oblik inkluzija grafita u ljuspice.

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

Označavanje nodularnog liva 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 izduženje, δ, % – indeks duktilnosti (što je veća vrijednost, više se metal može obraditi pritiskom).

Tvrdoća - oko 100-160 HB.

Ovaj materijal, u smislu svojih performansi, zauzima srednju poziciju između čelika i legure sivog gvožđa i ugljenika. Nodularno liveno gvožđe sa feritnom bazom je inferiorno od perlitnog u pogledu otpornosti na habanje, koroziju i čvrstoću na zamor, ali je veće u pogledu mehaničke izdržljivosti, duktilnosti i karakteristika livenja. 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 bisernog nodularnog željeza

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

Ovi, u poređenju sa feritnim, imaju veće antikorozivne osobine, otpornost na habanje, njihova čvrstoća je mnogo veća, ali niže karakteristike livenja i duktilnost. Savitljivost na mehanička naprezanja je površinski povećana, uz zadržavanje tvrdoće i viskoziteta jezgre proizvoda.

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

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

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

Perlitno kovno gvožđe se koristilo u mašinstvu i instrumentaciji za konstrukcije koje rade pod velikim opterećenjima - statičkim i dinamičkim: bregaste osovine, radilice, delovi kvačila, klipovi, klipnjače.

toplinska obrada

Materijal dobijen kao rezultat termičke obrade, odnosno žarenja, može se ponovobiti izložen temperaturnim uticajima. Njihov glavni cilj je dalje povećanje čvrstoće, otpornosti na habanje, otpornosti na koroziju i starenje.

1. Učvršćivanje se koristi za strukture koje zahtijevaju visoku tvrdoću i žilavost; proizvedeno zagrevanjem do 900 ˚S, delovi se hlade prosečnom brzinom od oko 100 ˚S/sec korišćenjem mašinskog ulja. Slijedi visoko kaljenje sa zagrijavanjem do 650˚S i hlađenjem zrakom.
2. Normalizacija se koristi za jednostavne delove srednje veličine zagrevanjem u rerni na 900 ˚S, držanjem na ovoj temperaturi u periodu od 1 do 1,5 sat i zatim hlađenjem na vazduhu. Pruža troostitni granulirani perlit, njegovu tvrdoću i pouzdanost pri trenju i habanju. Koristi se za dobijanje kovanog livenog gvožđa protiv trenja sa perlitnom bazom.
3. Žarenje se ponavlja u proizvodnji antifrikcije: zagrevanje - do 900 ˚S, dugotrajno držanje na ovoj toploti, hlađenje zajedno sa peći. Obezbeđena je feritna ili feritno-perlitna struktura duktilnog gvožđa protiv trenja.

Zagrijavanje proizvoda od livenog gvožđa može se vršiti lokalno ili kombinovano. Za lokalnu upotrebu, visokofrekventne struje ili acetilenski plamen (otvrdnjavanje). Za složene - peći za grijanje. Lokalnim zagrijavanjem samo gornji sloj se stvrdnjava, dok mu se povećava tvrdoća i čvrstoća, ali ostaje plastičnost i viskozitet jezgre.

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

Nodularno gvožđe protiv trenja

Ova sorta se odnosi i na kovne i na legirane, one su sive (ASF), savitljive (ASC) i visoke čvrstoće (ACS). Za proizvodnju ACHK-a koristi se nodularno željezo, koje se žari ili normalizira. Procesi se sprovode u cilju povećanja njegovih mehaničkih svojstava i formiranja nove karakteristike - otpornosti na habanje pri trenju sa drugim delovima.

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

Uticaj aditiva na svojstva

Pored gvožđe-ugljične baze i grafita, sadrže i druge komponente koje takođe određuju svojstva livenog gvožđa: mangan, silicijum, fosfor, sumpor i neke legirajuće elemente.

Mangan povećava fluidnost tečnog metala, otpornost na koroziju i otpornost na habanje. Pomaže u povećanju tvrdoće i čvrstoće, vezivanju ugljenika sa gvožđem u hemijskoj formuli Fe_{3C, formiranju zrnastog perlita.}

Silicijum takođe pozitivno utiče na fluidnost tečne legure, podstiče razgradnju cementita i oslobađanje inkluzija grafita.

Sumpor je negativna, ali neizbježna komponenta. Smanjuje mehanička i hemijska svojstva, stimuliše stvaranje pukotina. Međutim, racionalan omjer njegovog sadržaja s drugim elementima (na primjer, s manganom) dozvoljavaispravne mikrostrukturne procese. Dakle, pri omjeru Mn-S od 0,8-1,2, perlit je očuvan u svakom trenutku temperaturnih utjecaja. Kada se omjer poveća na 3, postaje moguće dobiti bilo koju potrebnu strukturu, u zavisnosti od specificiranih parametara.

Fosfor menja fluidnost na bolje, utiče na čvrstoću, smanjuje udarnu čvrstoću i duktilnost, utiče na trajanje grafitizacije.

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

Volfram poboljšava otpornost na habanje u područjima sa visokim temperaturama.

Aluminijum, nikl, bakar doprinose grafitizaciji.

Podešavanjem količine hemijskih elemenata koji čine leguru gvožđa i ugljenika, kao i njihovog odnosa, moguće je uticati na konačna svojstva livenog gvožđa.

Prednosti i nedostaci

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

• visoka tvrdoća, otpornost na habanje, čvrstoća zajedno sa fluidnošću;
• normalne karakteristike žilavosti i duktilnosti;
• proizvodljivost u oblikovanju, za razliku od sivog livenog gvožđa;
• različite opcije za korekciju svojstava za određeni dio metodama termičke i hemijsko-termičke obrade;
• niska cijena.

Nedostaci uključuju pojedinačne karakteristike:

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

Uprkos postojećim nedostacima, nodularno gvožđe zauzima odgovorno mesto u metalurgiji i mašinstvu. Od njega se izrađuju važni dijelovi kao što su radilice, dijelovi kočionih pločica, zupčanici, klipovi, klipnjače. Imajući beznačajnu raznolikost klasa, nodularno željezo zauzima pojedinačnu nišu u industriji. Njegova upotreba je tipična za ona opterećenja kod kojih je upotreba drugih materijala malo vjerovatna.