Nodulair gietijzer: eigenschappen, markering en reikwijdte

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 14:00

Gietijzer is een harde, corrosiebestendige, maar brosse ijzer-koolstoflegering met een koolstofgeh alte C van 2,14 tot 6,67%. Ondanks de aanwezigheid van karakteristieke tekortkomingen, heeft het een verscheidenheid aan soorten, eigenschappen en toepassingen. Nodulair gietijzer wordt veel gebruikt.

Geschiedenis

Dit materiaal is al bekend sinds de 4e eeuw voor Christus. e. De Chinese wortels liggen in de VI eeuw. BC e. In Europa dateert de eerste vermelding van de industriële productie van de legering uit de 14e en in Rusland tot de 16e eeuw. Maar de technologie voor de productie van nodulair gietijzer werd in de 19e eeuw in Rusland gepatenteerd. Later ontwikkeld door A. D. Annosov.

Aangezien grijs gietijzer beperkt in gebruik is vanwege de lage mechanische eigenschappen, en staal duur is en een lage hardheid en duurzaamheid heeft, rees de vraag om een betrouwbaar, duurzaam, hard metaal te creëren dat tegelijkertijd sterker is geworden en een zekere plasticiteit.

Gietijzer smeden is niet mogelijk, maar vanwege zijn ductiele eigenschappen leent het zich voor sommige soorten drukbehandeling (bijvoorbeeld stampen).

Productie

De belangrijkste manier -smelten in hoogovens.

Voedsel voor de verwerking van hoogovens:

• Batch - ijzererts dat metaal bevat in de vorm van ferumoxiden.
• Brandstof - cokes en aardgas.
• Zuurstof - geïnjecteerd via speciale lansen.
• Fluxes zijn chemische formaties op basis van mangaan en (of) silicium.

Stadia van hoogoven:

1. Herwinning van zuiver ijzer door chemische reacties van ijzererts met zuurstof geleverd door lansen.
2. Verbranding van cokes en vorming van koolstofoxiden.
3. Carburisatie van zuiver ijzer in reacties met CO en CO_2.
4. Verzadiging van Fe_{3C met mangaan en silicium, afhankelijk van de gewenste uitvoereigenschappen.}
5. Afgewerkt metaal in mallen laten lopen door gietijzeren kraangaten; slakafvoer via slakkenaftapgaten.

Aan het einde van de werkcyclus ontvangen hoogovens ruwijzer, slakken en hoogovengassen.

Hoogoven metalen producten

Afhankelijk van de afkoelsnelheid, microstructuur, verzadiging met koolstof en additieven, is het mogelijk om verschillende soorten gietijzer te verkrijgen:

1. Gekocht (wit): gebonden koolstof, primair cementiet. Ze worden gebruikt als grondstof voor het smelten van andere ijzer-koolstoflegeringen, verwerking. Tot 80% van alle geproduceerde hoogovenlegeringen.
2. Foundry (grijs): koolstof in de vorm van geheel of gedeeltelijk vrij grafiet, namelijk de platen. Gebruikt voor de productie van lichaamsdelen met een lage verantwoordelijkheid. Tot 19% van de geproduceerde hoogovengietstukken.
3. Special: rijk aan ijzerlegeringen. 1-2% van het beschouwde type productie.

Nodulair gietijzer wordt verkregen door warmtebehandeling van het ruwijzer.

Theorie van ijzer-koolstofstructuren

Koolstof met ferum kan verschillende soorten legeringen vormen, afhankelijk van het type kristalrooster, dat wordt weergegeven op de microstructuuroptie.

1. penetratie van vaste oplossing in α-ijzer - ferriet.
2. penetratie van vaste oplossing in γ-ijzer - austeniet.
3. Chemische vorming Fe_{3C (gebonden toestand) – cementiet. Primair wordt gevormd door snelle afkoeling vanuit een vloeibare smelt. Secundair - langzamere temperatuurdaling, van austeniet. Tertiair - geleidelijke afkoeling, van ferriet.}
4. Mechanisch mengsel van ferriet- en cementietkorrels - perliet.
5. Mechanisch mengsel van korrels van perliet of austeniet en cementiet - ledeburiet.

Gietijzers hebben een speciale microstructuur. Grafiet kan in een gebonden vorm zijn en de bovenstaande structuren vormen, of het kan in een vrije staat zijn in de vorm van verschillende insluitsels. De eigenschappen worden beïnvloed door zowel de hoofdkorrels als deze formaties. Grafietfracties in metaal zijn platen, vlokken of balletjes.

De lamellaire vorm is kenmerkend voor grijze ijzer-koolstoflegeringen. Het maakt ze kwetsbaar en onbetrouwbaar.

Vlokachtige insluitsels hebben smeedbaar gietijzer, wat een positief effect heeft op hun mechanische prestaties.

De bolvormige structuur van grafiet is nog meerverbetert de kwaliteit van het metaal, wat de toename van de hardheid, betrouwbaarheid en blootstelling aan aanzienlijke belastingen beïnvloedt. Gietijzer met hoge weerstand heeft deze kenmerken. Smeedbaar gietijzer bepa alt zijn eigenschappen door ferritische of perlitische basen met de aanwezigheid van schilferige grafietinsluitsels.

Productie van ferritisch nodulair gietijzer

Het wordt geproduceerd uit een hypo-eutectoïde koolstofarme legering van wit varken door ingots te gloeien met een koolstofgeh alte van 2,4-2,8% en de aanwezigheid van additieven die daarmee overeenkomen (Mn, Si, S, P). De dikte van de wanden van de gegloeide delen mag niet meer zijn dan 5 cm Voor gietstukken met een aanzienlijke dikte heeft grafiet de vorm van platen en worden de gewenste eigenschappen niet bereikt.

Om nodulair gietijzer met een ferritische basis te krijgen, wordt het metaal in speciale dozen gedaan en met zand bestrooid. Nauw gesloten containers worden in verwarmingsovens geplaatst. Voer de volgende volgorde van handelingen uit tijdens het gloeien:

1. De constructies worden in ovens verwarmd tot een temperatuur van 1.000 ˚C en gedurende 10 tot 24 uur bij constante warmte blijven staan. Als gevolg hiervan vallen primair cementiet en ledeburiet uiteen.
2. Het metaal wordt samen met de oven afgekoeld tot 720 ˚С.
3. Bij een temperatuur van 720 ˚С worden ze lang bewaard: van 15 tot 30 uur. Deze temperatuur zorgt voor de afbraak van secundair cementiet.
4. In de laatste fase worden ze samen met de werkende kachel weer afgekoeld tot 500 ˚С, en vervolgens naar de lucht afgevoerd.

Dergelijk technologisch gloeien wordt grafietvorming genoemd.

Na het gedane werk is de microstructuur van het materiaalferriet met schilferige grafietkorrels. Dit type wordt "zwarthart" genoemd omdat de pauze zwart is.

Productie van perlitisch nodulair gietijzer

Dit is een soort ijzer-koolstoflegering, die ook afkomstig is van hypoeutectisch wit, maar het koolstofgeh alte daarin is verhoogd: 3-3,6%. Om gietstukken met een perlietbasis te verkrijgen, worden ze in dozen gedaan en besprenkeld met gemalen ijzererts of schilfers. De gloeiprocedure zelf is vereenvoudigd.

1. De temperatuur van het metaal wordt verhoogd tot 1.000 ˚C, 60-100 uur vastgehouden.
2. Ontwerpen koel met oven.

Door loomheid onder invloed van warmte vindt diffusie plaats in de metalen omgeving: het grafiet dat vrijkomt bij het cementietverval verlaat gedeeltelijk de oppervlaktelaag van de gegloeide delen en zet zich af op het oppervlak van het erts of de schaal. Er wordt een zachtere, meer kneedbare en kneedbare bovenlaag van "witgehard" nodulair gietijzer met een harde kern verkregen.

Zo'n gloeien wordt onvolledig genoemd. Het zorgt voor de desintegratie van cementiet en ledeburiet tot lamellair perliet met het bijbehorende grafiet. Als korrelig perlitisch nodulair gietijzer met een hogere slagvastheid en taaiheid vereist is, wordt extra verwarming van het materiaal tot 720 toegepast. Dit resulteert in de vorming van perlietkorrels met schilferige grafietinsluitingen.

Eigenschappen, markeringen en toepassingen van ferritisch nodulair gietijzer

Lang "wegkwijnen" van het metaal in de oven resulteert in het volledige verval van cementiet en ledeburiet tot ferriet. Dankzijtechnologische trucs, wordt een legering met een hoog koolstofgeh alte verkregen - een ferritische structuur die kenmerkend is voor koolstofarm staal. Koolstof zelf verdwijnt echter nergens - het gaat van een staat gebonden aan ijzer naar een vrije staat. Temperatuureffect verandert de vorm van grafietinsluitingen in schilfers.

Ferritische structuur veroorzaakt een afname van de hardheid, een toename van de sterktewaarden, de aanwezigheid van eigenschappen als slagvastheid en ductiliteit.

Markering van nodulair gietijzer van ferritische klasse: KCh30-6, KCh33-8, KCh35-10, KCh37-12, waarbij:

KCh – rasaanduiding – kneedbaar;

30, 33, 35, 37: σ_v, 300, 330, 350, 370 N/mm^{2 - maximale belasting dat het kan weerstaan zonder in te storten;}

6, 8, 10, 12 – relatieve rek, δ, % – ductiliteitsindex (hoe hoger de waarde, hoe meer het metaal door druk kan worden verwerkt).

Hardheid - ongeveer 100-160 HB.

Dit materiaal neemt qua prestaties een middenpositie in tussen bijvoorbeeld staal en een grijze ijzer-koolstoflegering. Nodulair gietijzer met een ferritische basis is inferieur aan perlitisch in termen van slijtvastheid, corrosie en vermoeiingssterkte, maar hoger in termen van mechanisch uithoudingsvermogen, ductiliteit en gieteigenschappen. Vanwege de lage prijs wordt het veel gebruikt in de industrie voor de vervaardiging van onderdelen die onder lage en gemiddelde belasting werken: tandwielen, carters, achterassen, sanitair.

Eigenschappen, markeringen en toepassingen van perlitisch nodulair gietijzer

Door onvolledige annealing hebben primaire, secundaire cementieten en ledeburiet de tijd om volledig op te lossen in austeniet, dat bij een temperatuur van 720 ˚С verandert in perliet. Dit laatste is een mechanisch mengsel van ferrietkorrels en tertiair cementiet. Eigenlijk blijft een deel van de koolstof in gebonden vorm achter, bepa alt de structuur, en een deel wordt “losgelaten” tot vlokkig grafiet. In dit geval kan perliet lamellair of korrelig zijn. Zo wordt perlitisch nodulair gietijzer gevormd. De eigenschappen zijn te danken aan de verzadigde, hardere en minder buigzame structuur.

Deze hebben, in vergelijking met ferritische, hogere corrosiewerende, slijtvaste eigenschappen, hun sterkte is veel hoger, maar lagere gieteigenschappen en ductiliteit. De plooibaarheid voor mechanische belasting wordt oppervlakkig verhoogd, terwijl de hardheid en viscositeit van de kern van het product behouden blijven.

Markering van perlitisch gietijzer van smeedbaar gietijzer: KCh45-7, KCh50-5, KCh56-4, KCh60-3, KCh65-3, KCh70-2, KCh80-1, 5.

Het eerste cijfer is de sterkte-aanduiding: respectievelijk 450, 500, 560, 600, 650, 700 en 800 N/mm2.

Tweede - de aanduiding van plasticiteit: rek δ,% - 7, 5, 4, 3, 3, 2 en 1, 5.

Perlitisch smeedbaar gietijzer is gebruikt in de machinebouw en instrumentatie voor constructies die onder zware belasting werken - zowel statisch als dynamisch: nokkenassen, krukassen, koppelingsonderdelen, zuigers, drijfstangen.

Warmtebehandeling

Het materiaal verkregen als resultaat van warmtebehandeling, namelijk gloeien, kan opnieuw worden gebruiktonderhevig zijn aan temperatuurinvloeden. Hun belangrijkste doel is om de sterkte, slijtvastheid, weerstand tegen corrosie en veroudering verder te vergroten.

1. Harden wordt gebruikt voor constructies die een hoge hardheid en taaiheid vereisen; geproduceerd door verhitting tot 900 ˚С, worden de onderdelen gekoeld met een gemiddelde snelheid van ongeveer 100 ˚С/sec met behulp van machineolie. Het wordt gevolgd door hoge tempering met verwarming tot 650˚С en luchtkoeling.
2. Normalisatie wordt gebruikt voor middelgrote eenvoudige onderdelen door verwarming in een oven tot 900 ˚С, 1 tot 1,5 uur op deze temperatuur te houden en vervolgens af te koelen aan de lucht. Biedt troostiet korrelig perliet, zijn hardheid en betrouwbaarheid in wrijving en slijtage. Het wordt gebruikt om smeedbaar gietijzer met een perlitische basis te verkrijgen.
3. Gloeien wordt herhaald bij de vervaardiging van antifrictie: verwarming - tot 900 ˚С, langdurig vasthouden aan deze hitte, samen met de oven afkoelen. De ferritische of ferritisch-perlitische structuur van anti-wrijving nodulair gietijzer wordt verschaft.

Het verwarmen van gietijzeren producten kan plaatselijk of in combinatie worden uitgevoerd. Voor lokaal gebruik, hoogfrequente stromen of een acetyleenvlam (verharding). Voor complexe - verwarmingsovens. Bij lokale verwarming wordt alleen de bovenste laag uitgehard, terwijl de hardheid en sterkte toenemen, maar de plasticiteit en viscositeit van de kern blijven.

Het is belangrijk erop te wijzen dat het smeden van gietijzer onmogelijk is, niet alleen vanwege onvoldoende mechanischekenmerken, maar ook vanwege de hoge gevoeligheid voor een scherpe temperatuurdaling, die onvermijdelijk is bij uitharding met waterkoeling.

Nodulair gietijzeren anti-wrijving

Deze variëteit is van toepassing op zowel kneedbare als gelegeerde, ze zijn grijs (ASF), kneedbaar (ASC) en zeer sterk (ACS). Nodulair gietijzer wordt gebruikt voor de productie van ACHK, dat wordt gegloeid of genormaliseerd. De processen worden uitgevoerd om de mechanische eigenschappen te verbeteren en een nieuwe eigenschap te vormen - slijtvastheid tijdens wrijving met andere onderdelen.

Gemarkeerd: AChK-1, AChK-2. Het wordt gebruikt voor de productie van krukassen, tandwielen, lagers.

Invloed van additieven op eigenschappen

Naast de ijzer-koolstofbasis en grafiet bevatten ze ook andere componenten die ook de eigenschappen van gietijzer bepalen: mangaan, silicium, fosfor, zwavel en sommige legeringselementen.

Mangan verhoogt de vloeibaarheid van vloeibaar metaal, de corrosieweerstand en de slijtvastheid. Het helpt om de hardheid en sterkte te verhogen, koolstof te binden met ijzer in de chemische formule Fe_{3C, de vorming van korrelig perliet.}

Silicium heeft ook een positief effect op de vloeibaarheid van de vloeibare legering, bevordert de afbraak van cementiet en het vrijkomen van grafietinsluitingen.

Zwavel is een negatief maar onvermijdelijk onderdeel. Het vermindert mechanische en chemische eigenschappen, stimuleert de vorming van scheuren. De rationele verhouding van het geh alte met andere elementen (bijvoorbeeld met mangaan) maakt het echter mogelijkcorrecte microstructurele processen. Dus bij de Mn-S-verhouding van 0,8-1,2 blijft perliet op elk moment van temperatuurinvloeden behouden. Wanneer de verhouding wordt verhoogd tot 3, wordt het mogelijk om elke noodzakelijke structuur te verkrijgen, afhankelijk van de gespecificeerde parameters.

Fosfor verandert de vloeibaarheid ten goede, beïnvloedt de sterkte, vermindert de slagvastheid en ductiliteit, beïnvloedt de duur van de grafitisering.

Chroom en molybdeen belemmeren de vorming van grafietvlokken, in sommige gevallen dragen ze bij aan de vorming van korrelig perliet.

Tungsten verbetert de slijtvastheid in gebieden met hoge temperaturen.

Aluminium, nikkel, koper dragen bij aan grafitisering.

Door de hoeveelheid chemische elementen waaruit de ijzer-koolstoflegering bestaat aan te passen, evenals hun verhouding, is het mogelijk om de uiteindelijke eigenschappen van gietijzer te beïnvloeden.

Voor- en nadelen

Nodulair gietijzer is een materiaal dat veel wordt gebruikt in de techniek. Zijn belangrijkste voordelen:

• hoge hardheid, slijtvastheid, sterkte samen met vloeibaarheid;
• normale taaiheid en vervormbaarheid;
• maakbaarheid bij het vormen, in tegenstelling tot grijs gietijzer;
• verschillende opties voor het corrigeren van eigenschappen voor een specifiek onderdeel door methoden van thermische en chemisch-thermische behandeling;
• lage kosten.

Nadelen zijn onder meer individuele kenmerken:

• fragiliteit;
• aanwezigheid van grafietinsluitingen;
• slechte snijprestaties;
• aanzienlijk gewicht van gietstukken.

Ondanks de bestaande tekortkomingen neemt nodulair gietijzer een verantwoordelijke plaats in in de metallurgie en engineering. Hiervan worden belangrijke onderdelen zoals krukassen, remblokonderdelen, tandwielen, zuigers, drijfstangen gemaakt. Met een onbeduidende verscheidenheid aan kwaliteiten, neemt nodulair gietijzer een individuele niche in de industrie in. Het gebruik ervan is typisch voor die ladingen waarbij het gebruik van andere materialen onwaarschijnlijk is.