Rodzaje żeliwa, klasyfikacja, skład, właściwości, znakowanie i zastosowanie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Dzisiaj prawie nie ma dziedziny życia ludzkiego, w której nie używa się żeliwa. Materiał ten znany jest ludzkości od dłuższego czasu i sprawdził się doskonale z praktycznego punktu widzenia. Żeliwo jest podstawą szerokiej gamy części, zespołów i mechanizmów, a w niektórych przypadkach nawet samowystarczalnego produktu zdolnego do wykonywania przypisanych mu funkcji. Dlatego w tym artykule zwrócimy szczególną uwagę na ten związek zawierający żelazo. Dowiemy się również, jakie są rodzaje żeliwa, ich właściwości fizyczne i chemiczne.

Definicja

Żeliwo jest naprawdę wyjątkowym stopem żelaza i węgla, w którym Fe stanowi ponad 90%, a C nie więcej niż 6,67%, ale nie mniej niż 2,14%. Również węgiel można znaleźć w żeliwie w postaci cementytu lub grafitu.

Węgiel nadaje stopowi wystarczająco wysoką twardość, ale jednocześnie zmniejsza ciągliwość i ciągliwość. W rezultacie żeliwo jest materiałem kruchym. Ponadto do niektórych gatunków żeliwa dodawane są specjalne dodatki, które mogą nadać mieszance określone właściwości. Rolą pierwiastków stopowych mogą być: nikiel, chrom, wanad, aluminium. Wskaźnik gęstości żeliwa wynosi 7200 kilogramów na metr sześcienny. Z czego można wywnioskować, żemasa żeliwa jest wskaźnikiem, którego nie można nazwać małym.

Tło historyczne

Wytop żelaza jest znany człowiekowi od dawna. Pierwsza wzmianka o stopie pochodzi z VI wieku pne.

W czasach starożytnych Chiny produkowały żeliwo o dość niskiej temperaturze topnienia. Żeliwo zaczęto produkować w Europie około XIV wieku, kiedy po raz pierwszy zastosowano wielkie piece. W tym czasie taki odlew żeliwny był używany do produkcji broni, łusek, części konstrukcyjnych.

W Rosji produkcja żeliwa aktywnie rozpoczęła się w XVI wieku, a następnie szybko się rozwinęła. W czasach Piotra I Imperium Rosyjskie było w stanie ominąć wszystkie kraje świata pod względem produkcji żelaza, ale sto lat później zaczęło ponownie tracić na znaczeniu na rynku metalurgii żelaza.

Żeliwo było używane do tworzenia różnorodnych dzieł sztuki od średniowiecza. W szczególności w X wieku chińscy mistrzowie odlali naprawdę wyjątkową figurę lwa, której waga przekroczyła 100 ton. Od XV wieku w Niemczech, a potem w innych krajach, rozpowszechniło się odlewanie żeliwa. Wykonano z niego płoty, kraty, rzeźby parkowe, meble ogrodowe, nagrobki.

W ostatnich latach XVIII wieku odlewnictwo żelaza było najbardziej zaangażowane w architekturę Rosji. A wiek XIX był ogólnie nazywany „epoką żeliwa”, ponieważ stop ten był bardzo aktywnie wykorzystywany w architekturze.

Funkcje

Istnieją różne typyżeliwa, jednak średnia temperatura topnienia tego związku metalu wynosi około 1200 stopni Celsjusza. Ta wartość jest o 250-300 stopni mniejsza niż wymagana do produkcji stali. Ta różnica jest związana z dość dużą zawartością węgla, co prowadzi do jego mniej bliskich wiązań z atomami żelaza na poziomie molekularnym.

W czasie wytapiania i późniejszej krystalizacji, węgiel zawarty w żeliwie nie ma czasu, aby całkowicie wniknąć w siatkę molekularną żelaza, dlatego żeliwo ostatecznie okazuje się dość kruche. W związku z tym nie jest używany tam, gdzie występują stałe obciążenia dynamiczne. Ale jednocześnie doskonale nadaje się do tych części, które mają zwiększone wymagania dotyczące wytrzymałości.

Technologia produkcji

Absolutnie wszystkie rodzaje żeliwa są produkowane w wielkim piecu. W rzeczywistości sam proces wytapiania jest dość pracochłonną czynnością, która wymaga poważnych inwestycji materiałowych. Jedna tona surówki wymaga około 550 kilogramów koksu i prawie tony wody. Objętość rudy załadowanej do pieca będzie zależeć od zawartości żelaza. Najczęściej używa się rudy, w której żelazo jest co najmniej 70%. Niższe stężenie pierwiastka jest niepożądane, ponieważ jego stosowanie byłoby nieekonomiczne.

Pierwszy etap produkcji

Wytapianie żelaza jest następujące. W pierwszej kolejności do pieca wsypywana jest ruda oraz gatunki węgla koksowego, które służą do utrzymywania ciśnienia i utrzymania wymaganej temperatury wewnątrz szybu pieca. Ponadto produkty te podczas procesu spalania biorą czynny udział w zachodzących reakcjach chemicznych wrola środków redukujących żelazo.

W tym samym czasie do pieca ładowany jest topnik, który służy jako katalizator. Pomaga skałom szybciej się topić, co sprzyja uwalnianiu żelaza.

Ważne jest, aby pamiętać, że ruda jest poddawana specjalnej obróbce wstępnej przed załadowaniem do pieca. Jest kruszony w kruszarni (drobne cząstki topią się szybciej). Następnie jest myte w celu usunięcia cząstek niezawierających metalu. Następnie surowiec jest wypalany, dzięki czemu usuwana jest z niego siarka i inne obce pierwiastki.

Drugi etap produkcji

Gaz ziemny jest dostarczany do pieca załadowanego i gotowego do pracy za pomocą specjalnych palników. Koks podgrzewa surowiec. W tym przypadku uwalniany jest węgiel, który łączy się z tlenem i tworzy tlenek. Ten tlenek bierze następnie udział w odzyskiwaniu żelaza z rudy. Należy zauważyć, że wraz ze wzrostem ilości gazu w piecu szybkość reakcji chemicznej maleje, a po osiągnięciu określonego stosunku zatrzymuje się całkowicie.

Nadmiar węgla wnika w stopiony materiał i łączy się z żelazem, ostatecznie tworząc żeliwo. Wszystkie te elementy, które się nie stopiły, znajdują się na powierzchni i ostatecznie są usuwane. Odpad ten nazywa się żużlem. Może być również używany do produkcji innych materiałów. Pozyskiwane w ten sposób rodzaje żeliwa nazywane są odlewami i surówką.

Zróżnicowanie

Nowoczesna klasyfikacja żeliwa przewiduje podział tych stopów na następujące typy:

• Biały.
• Połowa.
• Szary z grafitem płatkowym.
• Grafit sferoidalny o wysokiej wytrzymałości.
• Glastyczne.

Przyjrzyjmy się każdemu z osobna.

Żeliwo białe

To żeliwo jest tym, w którym prawie cały węgiel jest związany chemicznie. W inżynierii mechanicznej stop ten nie jest zbyt często stosowany, ponieważ jest twardy, ale bardzo kruchy. Ponadto nie można go obrabiać różnymi narzędziami skrawającymi, dlatego stosuje się go do odlewania części, które nie wymagają żadnej obróbki. Chociaż ten rodzaj żeliwa umożliwia szlifowanie tarczami ściernymi. Żeliwo białe może być zarówno zwykłe, jak i stopowe. Jednocześnie spawanie sprawia trudności, ponieważ towarzyszy mu powstawanie różnych pęknięć podczas chłodzenia lub nagrzewania, a także ze względu na niejednorodność struktury tworzącej się w miejscu zgrzewania.

Białe żeliwa odporne na zużycie są otrzymywane przez pierwotną krystalizację ciekłego stopu podczas szybkiego chłodzenia. Są one najczęściej używane do zastosowań związanych z tarciem suchym (np. klocki hamulcowe) lub do produkcji części o podwyższonej odporności na zużycie i ciepło (walce walcowni).

Nawiasem mówiąc, żeliwo białe otrzymało swoją nazwę ze względu na fakt, że wygląd jego pęknięcia jest jasnokrystaliczną, promienną powierzchnią. Struktura tego żeliwa to połączenie ledeburytu, perlitu i cementytu wtórnego. Jeśli to żeliwo jest stopowe, to perlit zamienia się wtroostyt, austenit lub martenzyt.

Żeliwo połówkowe

Klasyfikacja żeliw byłaby niepełna bez wzmianki o tej odmianie stopu metalu.

To żeliwo charakteryzuje się połączeniem eutektyki węglika i grafitu w swojej strukturze. Ogólnie rzecz biorąc, pełnoprawna struktura ma następującą postać: grafit, perlit, ledeburyt. Jeśli żeliwo zostanie poddane obróbce cieplnej lub stopowaniu, doprowadzi to do powstania austenitu, martenzytu lub iglastego troostytu.

Ten rodzaj żeliwa jest dość kruchy, więc jego użycie jest bardzo ograniczone. Sam stop ma swoją nazwę, ponieważ jego pęknięcie jest kombinacją ciemnych i jasnych obszarów struktury krystalicznej.

Najpopularniejszy materiał inżynieryjny

Żeliwo szare GOST 1412-85 zawiera około 3,5% węgla, od 1,9 do 2,5% krzemu, do 0,8% manganu, do 0,3% fosforu i mniej niż 0,12% siarki.

Grafit w takim żeliwie ma kształt płytkowy. Nie wymaga specjalnej modyfikacji.

Płyty grafitowe mają silne działanie osłabiające, dlatego żeliwo szare charakteryzuje się bardzo niską udarnością i prawie całkowitym brakiem wydłużenia (poniżej 0,5%).

Żeliwo szare jest dobrze obrobione. Struktura stopu może wyglądać następująco:

• Ferryt-grafit.
• Ferryt-perlit-grafit.
• Perlit-grafit.

Żeliwo szare działa znacznie lepiej przy ściskaniu niż przy rozciąganiu. On takżespawa się całkiem dobrze, ale wymaga to wstępnego podgrzania, a jako spoiwa należy zastosować specjalne żeliwne pręty o dużej zawartości krzemu i węgla. Bez wstępnego podgrzewania spawanie będzie trudne, ponieważ żeliwo będzie wybielać w obszarze spawania.

Żeliwo szare jest używane do produkcji części, które działają bez obciążeń udarowych (koła pasowe, osłony, łoża).

Oznaczenie tego żeliwa następuje zgodnie z następującą zasadą: SCH 25-52. Dwie litery wskazują, że jest to żeliwo szare, liczba 25 jest wskaźnikiem wytrzymałości na rozciąganie (w MPa lub kgf / mm 2), liczba 52 jest obecnie wytrzymałością na rozciąganie gięcia.

Żeliwo sferoidalne

Żeliwo sferoidalne zasadniczo różni się od innych „braci” tym, że zawiera grafit sferoidalny. Uzyskuje się go poprzez wprowadzenie do ciekłego stopu specjalnych modyfikatorów (Mg, Ce). Liczba wtrąceń grafitu i ich wymiary liniowe mogą być różne.

Co jest dobrego w graficie sferoidalnym? Fakt, że taka forma minimalnie osłabia metalową bazę, która z kolei może być perlityczna, ferrytyczna lub perlityczno-ferrytyczna.

Ze względu na zastosowanie obróbki cieplnej lub stopowania, żeliwna podstawa może być iglasto-troostytowa, martenzytyczna, austenityczna.

Gatunki żeliwa sferoidalnego są różne, ale ogólnie jego oznaczenie jest następujące: VCh 40-5. Łatwo zgadnąć, że HF to żeliwo o dużej wytrzymałości, liczba 40 jest wskaźnikiemwytrzymałość na rozciąganie (kgf/mm2), liczba 5 odnosi się do wydłużenia, wyrażona w procentach.

Żeliwo sferoidalne

Struktura żeliwa sferoidalnego to obecność w nim grafitu w postaci płatkowej lub kulistej. Jednocześnie grafit płatkowy może mieć różną miałkość i zwartość, co z kolei ma bezpośredni wpływ na właściwości mechaniczne żeliwa.

Przemysłowe żeliwo sferoidalne jest często produkowane na bazie ferrytycznej, która zapewnia większą ciągliwość.

Wygląd pęknięcia ferrytycznego żeliwa sferoidalnego ma czarny, aksamitny wygląd. Im większa ilość perlitu w strukturze, tym lżejsze będzie pęknięcie.

Na ogół żeliwo sferoidalne uzyskuje się z odlewów z żeliwa białego z powodu długiego leżakowania w piecach rozgrzanych do temperatury 800-950 stopni Celsjusza.

Dzisiaj istnieją dwa sposoby wytwarzania żeliwa sferoidalnego: europejski i amerykański.

Metoda amerykańska polega na marnowaniu stopu w piasku w temperaturze 800-850 stopni. W tym procesie grafit znajduje się pomiędzy ziarnami najczystszego żelaza. W rezultacie żeliwo staje się lepkie.

W metodzie europejskiej odlewy marnieją w rudzie żelaza. Temperatura w tym samym czasie to około 850-950 stopni Celsjusza. Węgiel przechodzi do rudy żelaza, dzięki czemu warstwa wierzchnia odlewów ulega odwęgleniu i staje się miękka. Żeliwo staje się ciągliwe, podczas gdy rdzeń pozostaje kruchy.

Znakowanie żeliwa ciągliwego: KCh 40-6, gdzie KCh to oczywiście żeliwo ciągliwe; 40 - wskaźnik wytrzymałości na rozciąganie;6 – wydłużenie, %.

Inne wskaźniki

Jeśli chodzi o podział żeliwa według wytrzymałości, stosuje się następującą klasyfikację:

• Typowa wytrzymałość: σv do 20 kg/mm2.
• Większa wytrzymałość: σv=20 - 38 kg/mm2.
• Wysoka wytrzymałość: σv=40 kg/mm2 i więcej.

Zgodnie z ciągliwością żeliwa dzielą się na:

• Nieelastyczny - mniej niż 1% wydłużenia.
• Niski plastik - od 1% do 5%.
• Plastik - od 5% do 10%.
• Zwiększona plastyczność - ponad 10%.

Podsumowując, chciałbym również zauważyć, że na właściwości każdego żeliwa dość znacząco wpływa nawet kształt i rodzaj wylewania.