Nodularno železo: lastnosti, označevanje in obseg

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 14:02

Lito železo je trda, korozijsko odporna, a krhka zlitina železo-ogljik z vsebnostjo ogljika C v razponu od 2,14 do 6,67%. Kljub prisotnosti značilnih pomanjkljivosti ima različne vrste, lastnosti, aplikacije. Nodularno železo se pogosto uporablja.

Zgodovina

Ta material je znan že od 4. stoletja pr. e. Njene kitajske korenine so v VI stoletju. pr e. V Evropi prva omemba industrijske proizvodnje zlitine sega v 14. stoletje, v Rusiji pa v 16. stoletje. Toda tehnologija za proizvodnjo nodularnega železa je bila patentirana v Rusiji v 19. stoletju. Kasneje ga je razvil A. D. Annosov.

Ker je uporaba sive litine zaradi nizkih mehanskih lastnosti omejena, jekla pa so draga ter imajo nizko trdoto in vzdržljivost, se je postavilo vprašanje, kako ustvariti zanesljivo, vzdržljivo, trdo kovino, ki ima hkrati povečano trdnost. in določena plastičnost.

Kovanje litega železa ni mogoče, vendar je zaradi svojih duktilnih lastnosti primerno za nekatere vrste tlačne obdelave (na primer žigosanje).

Proizvodnja

Glavna pot -taljenje v plavžih.

Surovine za predelavo v plavžu:

• Serija - železova ruda, ki vsebuje kovino v obliki ferumovih oksidov.
• Gorivo - koks in zemeljski plin.
• Kisik - vbrizgan s posebnimi koplji.
• Fluksi so kemične tvorbe na osnovi mangana in (ali) silicija.

Fape plavža:

1. Pridobivanje čistega železa s kemičnimi reakcijami železove rude s kisikom, ki se dovaja preko sul.
2. Izgorevanje koksa in tvorba ogljikovih oksidov.
3. Oogljičenje čistega železa v reakcijah s CO in CO_2.
4. Nasičenost Fe_{3C z manganom in silicijem, odvisno od zahtevanih izhodnih lastnosti.}
5. Odvajanje končne kovine v kalupe skozi luknje iz litega železa; odvajanje žlindre skozi žlindre.

Na koncu delovnega cikla plavži prejmejo surov železo, žlindro in plavžne pline.

Kovinski izdelki za plavže

Odvisno od hitrosti hlajenja, mikrostrukture, nasičenosti z ogljikom in aditivi je mogoče dobiti več vrst litega železa:

1. Kupljeno (belo): vezani ogljik, primarni cementit. Uporabljajo se kot surovine za taljenje drugih železo-ogljikovih zlitin, predelavo. Do 80 % vse proizvedene zlitine v plavžih.
2. Livarna (siva): ogljik v obliki popolnoma ali delno prostega grafita, in sicer njegove plošče. Uporablja se za izdelavo delov telesa z nizko odgovornostjo. Do 19 % proizvedenih plavžnih ulitkov.
3. Posebno: bogato s ferozlitinami. 1-2% obravnavane vrste proizvodnje.

Nodularno železo se pridobi s toplotno obdelavo surovega železa.

Teorija železo-ogljičnih struktur

Ogljik s ferumom lahko tvori več različnih vrst zlitin glede na vrsto kristalne mreže, ki je prikazana na možnosti mikrostrukture.

1. Prodor trdne raztopine v α-železo - ferit.
2. Prodor trdne raztopine v γ-železo - avstenit.
3. Kemična tvorba Fe_{3C (vezano stanje) – cementit. Primarni nastane s hitrim hlajenjem iz tekoče taline. Sekundarni - počasnejše znižanje temperature, iz avstenita. Terciarno - postopno hlajenje, iz ferita.}
4. Mehanska mešanica zrn ferita in cementita - perlita.
5. Mehanska mešanica zrn perlita ali avstenita in cementita - ledeburit.

Lito železo ima posebno mikrostrukturo. Grafit je lahko v vezani obliki in tvori zgornje strukture, lahko pa je v prostem stanju v obliki različnih vključkov. Na lastnosti vplivajo tako glavna zrna kot te tvorbe. Grafitne frakcije v kovini so plošče, kosmiči ali kroglice.

Lamelna oblika je značilna za zlitine sivega železa in ogljika. Zaradi tega so krhki in nezanesljivi.

Vključki, podobni kosmičem, imajo temprano lito železo, kar pozitivno vpliva na njihovo mehansko delovanje.

Sferična struktura grafita je še večjaizboljša kakovost kovine, kar vpliva na povečanje trdote, zanesljivosti, izpostavljenosti znatnim obremenitvam. Te lastnosti ima lito železo visoke trdnosti. Temperna litina določa svoje lastnosti s feritnimi ali perlitnimi bazami s prisotnostjo luskastih grafitnih vključkov.

Proizvodnja feritnega nodularnega železa

Proizvaja se iz bele prašičje hipoevtektoidne nizkoogljične zlitine z žarjenjem ingotov z vsebnostjo ogljika 2,4-2,8% in prisotnostjo dodatkov, ki jim ustrezajo (Mn, Si, S, P). Debelina sten žarjenih delov ne sme biti večja od 5 cm. Za ulitke znatne debeline ima grafit obliko plošč in želene lastnosti niso dosežene.

Za pridobitev nodularnega železa s feritno podlago je kovina postavljena v posebne škatle in posuta s peskom. Tesno zaprte posode postavimo v kurilne peči. Med žarjenjem izvedite naslednje zaporedje dejanj:

1. Konstrukcije segrejemo v pečicah na temperaturo 1.000 ˚C in pustimo stati pri stalni toploti 10 do 24 ur. Posledično se primarni cementit in ledeburit razpadeta.
2. Kovina se skupaj s pečjo ohladi na 720 ˚С.
3. Pri temperaturi 720 ˚С se hranijo dlje časa: od 15 do 30 ur. Ta temperatura zagotavlja razgradnjo sekundarnega cementita.
4. Na zadnji stopnji jih skupaj z delovno pečjo ponovno ohladimo na 500 ˚С, nato pa odstranimo na zrak.

Takšno tehnološko žarjenje se imenuje grafitiziranje.

Po opravljenem delu je mikrostruktura materialaferit z luskastimi grafitnimi zrni. Ta vrsta se imenuje "črnosrčna", ker je prelom črn.

Proizvodnja biserno nodularnega železa

To je neke vrste zlitina železo-ogljik, ki izvira tudi iz hipoevtektoidne beline, vendar je vsebnost ogljika v njej povečana: 3-3,6%. Za pridobitev ulitkov s perlitno osnovo jih položimo v škatle in potresemo z zdrobljeno železovo rudo ali lusko. Sam postopek žarjenja je poenostavljen.

1. Temperatura kovine se poveča na 1.000 ˚C, vzdržuje 60-100 ur.
2. Zasnova kul s pečico.

Zaradi omamljanja pod vplivom toplote pride do difuzije v kovinskem okolju: grafit, ki se sprosti pri razpadu cementita, delno zapusti površinsko plast žarjenih delov in se usede na površino rude ali luske. Dobimo mehkejšo, bolj nodularno in duktilno zgornjo plast "belega" nodularnega železa s trdim središčem.

Takšno žarjenje se imenuje nepopolno. Zagotavlja razpad cementita in ledeburita v lamelni perlit z ustreznim grafitom. Če je potrebno zrnato perlitno nodularno železo z večjo udarno trdnostjo in duktilnostjo, se uporabi dodatno segrevanje materiala do 720 ˚С. Posledica tega je tvorba perlitnih zrn z luskastimi vključki grafita.

Lastnosti, oznake in uporaba feritnega nodularnega železa

Dolgo "munjanje" kovine v peči povzroči popolno razpad cementita in ledeburita v ferit. Zahvale gredotehnoloških trikov, se dobi zlitina z visoko vsebnostjo ogljika - feritna struktura, značilna za nizkoogljično jeklo. Vendar ogljik sam po sebi ne izgine nikamor – prehaja iz stanja vezanega na železo v prosto stanje. Temperaturni učinek spremeni obliko grafitnih vključkov v luskaste.

Feritna struktura povzroči zmanjšanje trdote, povečanje vrednosti trdnosti, prisotnost lastnosti, kot sta udarna trdnost in duktilnost.

Označevanje nodularnih likov feritnega razreda: KCh30-6, KCh33-8, KCh35-10, KCh37-12, kjer:

KCh – oznaka sorte – kovran;

30, 33, 35, 37: σ_v, 300, 330, 350, 370 N/mm^{2 - največja obremenitev da lahko zdrži, ne da bi se zrušil;}

6, 8, 10, 12 – relativni raztezek, δ, % – indeks duktilnosti (višja kot je vrednost, več je kovina mogoče obdelati s pritiskom).

Trdota - približno 100-160 HB.

Ta material po svojih zmogljivostih zavzema srednji položaj med jeklom in zlitino sive železo-ogljik. Nodularna litina s feritno osnovo je slabša od biserne glede na odpornost proti obrabi, korozijsko in utrujenostno trdnost, vendar višja v smislu mehanske vzdržljivosti, duktilnosti in lastnosti ulivanja. Zaradi nizke cene se pogosto uporablja v industriji za izdelavo delov, ki delujejo pri nizkih in srednjih obremenitvah: zobniki, ohišja motorja, zadnje osi, vodovod.

Lastnosti, oznake in uporaba biserno nodularnega železa

Zaradi nepopolnega žarjenja imajo primarni, sekundarni cementiti in ledeburit čas, da se popolnoma raztopijo v avstenitu, ki se pri temperaturi 720 ˚С spremeni v perlit. Slednji je mehanska mešanica zrn ferita in terciarnega cementita. Pravzaprav del ogljika ostane v vezani obliki, določa strukturo, del pa se "sprosti" v luskasti grafit. V tem primeru je perlit lahko lamelaren ali zrnat. Tako nastane perlitno nodularno železo. Njegove lastnosti so posledica nasičene, trše in manj prožne strukture.

Ti imajo v primerjavi s feritnimi večjo protikorozijsko, odpornost proti obrabi, njihova trdnost je veliko večja, vendar nižje lastnosti ulivanja in duktilnost. Obstojnost na mehanske obremenitve se površinsko poveča, hkrati pa se ohranja trdota in viskoznost jedra izdelka.

Oznaka tempranega litega železa perlitni razred: KCh45-7, KCh50-5, KCh56-4, KCh60-3, KCh65-3, KCh70-2, KCh80-1, 5.

Prva številka je oznaka trdnosti: 450, 500, 560, 600, 650, 700 in 800 N/mm2 oz.

Drugi - oznaka plastičnosti: raztezek δ,% - 7, 5, 4, 3, 3, 2 in 1, 5.

Perlitno temprano lito železo se uporablja v strojništvu in instrumentaciji za konstrukcije, ki delujejo pod velikimi obremenitvami - tako statičnimi kot dinamičnimi: odmične gredi, ročične gredi, deli sklopke, bati, ojnice.

Toplotna obdelava

Materijal, pridobljen kot rezultat toplotne obdelave, in sicer žarjenja, je mogoče ponovnobiti izpostavljen temperaturnim vplivom. Njihov glavni cilj je dodatno povečati trdnost, odpornost proti obrabi, odpornost proti koroziji in staranju.

1. Utrjevanje se uporablja za strukture, ki zahtevajo visoko trdoto in žilavost; proizvedeno s segrevanjem do 900 ˚С, se deli ohlajajo s povprečno hitrostjo približno 100 ˚С/s s strojnim oljem. Sledi visoko kaljenje s segrevanjem do 650˚С in zračnim hlajenjem.
2. Normalizacija se uporablja za srednje velike enostavne dele s segrevanjem v pečici na 900 ˚С, držanjem pri tej temperaturi 1 do 1,5 ure in nato ohlajanjem na zraku. Zagotavlja troostitni granulirani perlit, njegovo trdoto in zanesljivost pri trenju in obrabi. Uporablja se za pridobivanje tempranega litega železa s perlitno osnovo.
3. Žaljenje se ponovi pri izdelavi antifrikcije: segrevanje - do 900 ˚С, dolgotrajno držanje pri tej toploti, hlajenje skupaj s pečjo. Zagotovljena je feritna ali feritno-perlitna struktura nodularnega železa proti trenju.

Ogrevanje izdelkov iz litega železa se lahko izvaja lokalno ali kombinirano. Za lokalno uporabo, visokofrekvenčni tokovi ali acetilenski plamen (strjevanje). Za kompleksne - ogrevalne peči. Z lokalnim segrevanjem se utrdi samo zgornji sloj, njegova trdota in trdnost pa se povečata, vendar plastičnost in viskoznost jedra ostaneta.

Tukaj je pomembno poudariti, da je kovanje litega železa nemogoče ne le zaradi nezadostne mehanskelastnosti, pa tudi zaradi visoke občutljivosti na močan padec temperature, ki je neizogiben pri utrjevanju z vodnim hlajenjem.

Nodularna litina proti trenju

Ta sorta velja tako za temprane kot za legirane, so sive (ASF), temprane (ASC) in visoke trdnosti (ACS). Nodularno železo se uporablja za proizvodnjo ACHK, ki je žarjen ali normaliziran. Postopki se izvajajo z namenom povečanja njegovih mehanskih lastnosti in oblikovanja nove lastnosti - odpornosti proti obrabi pri trenju z drugimi deli.

Označeno: AChK-1, AChK-2. Uporablja se za proizvodnjo ročičnih gredi, zobnikov, ležajev.

Vpliv aditivov na lastnosti

Poleg železo-ogljikove osnove in grafita vsebujejo tudi druge komponente, ki prav tako določajo lastnosti litega železa: mangan, silicij, fosfor, žveplo in nekatere legirne elemente.

Mangan poveča tekočnost tekočih kovin, odpornost proti koroziji in odpornost proti obrabi. Pomaga povečati trdoto in trdnost, veže ogljik z železom v kemični formuli Fe_{3C, tvorbo zrnatega perlita.}

Silicij pozitivno vpliva tudi na pretočnost tekoče zlitine, spodbuja razgradnjo cementita in sproščanje grafitnih vključkov.

Žveplo je negativna, a neizogibna komponenta. Zmanjšuje mehanske in kemične lastnosti, spodbuja nastanek razpok. Vendar pa racionalno razmerje njegove vsebnosti z drugimi elementi (na primer z manganom) dovoljujepravilni mikrostrukturni procesi. Torej, pri razmerju Mn-S 0,8-1,2 se perlit ohrani v vsakem trenutku temperaturnih vplivov. Ko se razmerje poveča na 3, postane mogoče pridobiti katero koli potrebno strukturo, odvisno od določenih parametrov.

Fosfor spremeni fluidnost na bolje, vpliva na trdnost, zmanjša udarno trdnost in duktilnost, vpliva na trajanje grafitizacije.

Krom in molibden zavirata nastajanje grafitnih kosmičev, v nekaterih vsebinah prispevata k tvorbi granuliranega perlita.

Volfram izboljša odpornost proti obrabi na območjih z visokimi temperaturami.

Aluminij, nikelj, baker prispevajo k grafitizaciji.

S prilagajanjem količine kemičnih elementov, ki sestavljajo zlitino železo-ogljik, ter njihovega razmerja je mogoče vplivati na končne lastnosti litega železa.

Prednosti in slabosti

Nodularno železo je material, ki se pogosto uporablja v inženirstvu. Njegove glavne prednosti:

• visoka trdota, odpornost proti obrabi, trdnost skupaj s tekočnostjo;
• normalne lastnosti žilavosti in duktilnosti;
• proizvodnost pri oblikovanju, za razliko od sive litine;
• različne možnosti za popravljanje lastnosti določenega dela z metodami toplotne in kemično-termične obdelave;
• nizka cena.

Slabosti vključujejo posamezne značilnosti:

• krhkost;
• prisotnost vključkov grafita;
• slaba učinkovitost rezanja;
• znatna teža ulitkov.

Kljub obstoječim pomanjkljivostim nodularna litina zavzema odgovorno mesto v metalurgiji in inženirstvu. Iz njega so izdelani tako pomembni deli, kot so ročične gredi, deli zavornih ploščic, zobniki, bati, ojnice. Nodularno železo z nepomembno raznolikostjo razredov zaseda posamezno nišo v industriji. Njegova uporaba je tipična za tiste obremenitve, pri katerih uporaba drugih materialov ni verjetna.