Kompozycja |
Żelazo węglowe (3.5) |
---|
Odlewane w metalu , stanowi stop z żelaza i węgla , którego zawartość jest większa niż 2%. Węgiel przesycony w żeliwie może wytrącać się w postaci grafitu lub cementytu Fe 3 C. Od innych stopów żelaza różnią się doskonałą płynnością.
Istnieje kilka klasyfikacji żeliwa, ale najszerzej stosowana, oparta na facjach pęknięć świadka, definiuje dwie kategorie: żeliwa białe , z pęknięciem białym, złożone z żelaza i cementytu oraz żeliwa szare , z pęknięciem szarym, składa się z żelaza i grafitu.
Wszystkie żeliwa są stopami. Od innych stopów wyróżnia je doskonała płynność (termin ten łączy w sobie bezwładność cieplną i płynność stopionego stopu, mierzy się ją w znormalizowany sposób za pomocą spiralnej probówki o przekroju trójkątnym).
Żeliwo ma temperaturę topnienia w zakresie od 1135 do 1350 °C , zasadniczo w zależności od zawartości procentowej węgla i krzemu . Gdy jest stopiony, maksymalna zawartość węgla zależy od jego temperatury. W momencie krzepnięcia ilość węgla wytrącającego się w postaci grafitu w osnowie metalicznej zależy od innych obecnych pierwiastków (głównie krzemu) oraz od szybkości chłodzenia.
Może być prekursorem w produkcji stali z rudy żelaza . Jest to stop wychodzący z wielkiego pieca, który zostanie rafinowany na stal (przez odwęglenie ). Nazywa się ją wówczas surówką , aby odróżnić ją od żeliwa odlewniczego , na ogół powstałego w wyniku wytopu żeliwiaka , o określonym składzie, przeznaczonego do produkcji odlewów.
Topnienie została odkryta w Chinach podczas okresu Walczących Królestw ( IV th wieku pne. ). W Europie, to w ciągu XIX -tego wieku, że topnienie wziął istotne miejsce w gospodarce, uogólnienie „pośrednim” (proces produkcji żelaza w wielkim piecu z produkcji żeliwa pośredniego).
Żeliwo produkowano w wielkich piecach na węgiel drzewny . Abraham Darby , który początkowo zajmował się paleniem słodu (do robienia piwa ), zdołał wyprodukować żeliwo przy użyciu koksu ("koka", później napisanego jako "koks", z angielskiego na gotowanie ). W 1709 roku , używając węgla o niskiej zawartości siarki, wykonał w swojej fabryce w Coalbrookdale pierwsze żeliwo koksownicze . Ale produkt, o którym mówiono, że jest gorszej jakości niż żeliwo opalane drewnem, zajęło pięćdziesiąt lat, aby ugruntować swoją pozycję i stać się jednym z głównych produktów uprzemysłowienia. W latach 1777-1779 Abraham Darby III zbudował w Coalbrookdale Iron Bridge , pierwszy duży metalowy most w historii, wykonany w całości z żeliwa. Mimo to produkcja żeliwa opalanego drewnem przetrwała, częściowo z powodu protekcjonizmu praktykowanego przez kraje produkujące (Francję, Niemcy), częściowo z powodu jakości przypisywanej temu rodzajowi żeliwa i niechęci niektórych kowali.
Z chemicznego punktu widzenia żeliwa są stopami żelazowo-węglowymi zawierającymi fazę eutektyczną , zwaną ledeburytem . Na metastabilnym diagramie fazowym żelazo-węgiel chodzi zatem o stopy żelazo-węgiel, które zawierają więcej niż 2,11% węgla (ale ten diagram nie jest już ważny w obecności pierwiastków stopowych).
Różne żeliwa różnią się zawartością procentową węgla . W przypadku czystego stopu żelaza i węgla (przypadek teoretyczny, ponieważ żeliwo zawsze zawiera znaczne ilości krzemu i manganu), odnotowuje się następujące wartości progowe:
Stale krystalizują na schemacie metastabilnego fer- cementytu żelazo-węgiel (pokazane obok), chociaż to grafit jest termodynamicznie stabilny: cementyt powinien rozkładać się na
Fe 3 C → 3Fe α + C (grafit)ale ruchliwość atomów węgla nie jest wystarczająca, aby do tego doszło.
Inaczej jest z żeliwa, które mają wyższą zawartość węgla, a zatem można krystalizować w stabilnym schemacie żelazo-węgiel: zawartości żelaza grafitu . Różnica między tymi dwoma wykresami polega przede wszystkim na szybkości chłodzenia: gdy szybkość chłodzenia jest duża, węgiel rozpuszczony w żelazie γ nie ma czasu na migrację na duże odległości i tworzy węgliki Fe 3 C. , cementyt, na teren; natomiast jeśli tempo chłodzenia jest wystarczająco wolne, węgiel może „zbierać” i tworzyć grafit .
Na diagramie żelazo-węgiel stabilny, eutektyk ma zawartość węgla 4,25% i topi się w temperaturze 1153 ° C .
Mamy zatem dwa rodzaje czcionek:
Rozróżnienie pomiędzy białym i żeliwa szarego (lub czarny), gdy XVIII -tego wieku. Uzyskanie żeliwa szarego lub białego zależy zarówno od ich składu, jak i szybkości chłodzenia.
Dodatek pierwiastków stopowych może sprzyjać krzepnięciu żeliwa zgodnie z wykresem stabilności (grafit) lub zgodnie z wykresem metastabilnym (cementyt). Jako pierwiastki stopowe znajdujemy w szczególności krzem, który będzie sprzyjał krzepnięciu żeliwa zgodnie ze schematem stabilności lub mangan, który będzie sprzyjał tworzeniu się perlitu (płatki ferrytu i cementytu). Jednak żeliwo nie jest uważane za stopowe, jeśli mangan zawiera się między 0,5 a 1,5%, krzem między 0,5 i 3%, a fosfor między 0,05 i 2,5%.
Mówi się, że żeliwo jest stopowe, jeśli oprócz powyższych pierwiastków zawiera w wystarczającej ilości co najmniej jeden pierwiastek dodatkowy, taki jak: nikiel, miedź (więcej niż 0,30%); chrom (ponad 0,20%); tytan, molibden, wanad, aluminium (ponad 0,10%). Podobnie żeliwo zawierające więcej niż 3% krzemu lub więcej niż 1,5% manganu jest uważane za specjalne (dotyczy to szczególnie żeliwa GS ze wzmocnioną osnową ferrytyczną).
Żeliwo białe jest rozwiązanie z perlitu i cementytu (Fe 3 ° C). Obecność tego cementytu sprawia, że stopy żeliwa białego są twarde i kruche. Ten rodzaj żeliwa uzyskuje się poprzez niską temperaturę odlewania, szybkie chłodzenie, dużą zawartość kulek (np. mangan, miedź itp.) lub niską zawartość pierwiastków grafityzujących (np. krzem). Białe czcionki wykonane są z perlitu i ledeburytu.
Posiadając dobrą płynność i lśniący biały wygląd, białe żeliwo jest używane głównie do produkcji części o wyglądzie, części zużywających się (takich jak końcówki redlic) i odlewni artystycznej. Obecność węglika czyni go bardzo odpornym na zużycie i ścieranie, ale także bardzo utrudnia obróbkę. Topnienie piec do rafinacji konwertera (co w końcu XX th wieku, reprezentujących niemal całe żelazo wytwarzane), chociaż technicznie „biały żelaza” nigdy nie jest tzw. Ta stopiona surówka ma wartość tylko pod względem składu chemicznego i temperatury. Klasyfikacja żeliwa, która obejmuje ich chłodzenie i możliwą obróbkę, nie ma zatem na ogół znaczenia w produkcji stali.
W zależności od zawartości pierwiastków stopowych możliwe jest uzyskanie żeliwa białego perlitycznego lub martenzytycznego.
Główne cechy białych czcionek to:
Ich główne wady to:
Rodzina żeliw, w których węgiel występuje w postaci grafitu . Strukturę grafitową węgla uzyskuje się przez bardzo powolne schładzanie żeliwa, lub dodatek składników grafityzujących, takich jak krzem . Nazwa żeliwo szare wynika z wyglądu pęknięcia, które jest szare, w przeciwieństwie do żeliwa białego, którego przerwa jest biała. Są też fonty, których wygląd jest szaro-biały, są to fonty truitated (przypominające skórkę).
Chociaż początek chłodzenia następuje według wykresu stabilności (żelazo-grafit), to wraz ze spadkiem temperatury czynniki grafityzacji przestają działać, chłodzenie odbywa się według wykresu metastabilnego. Ostatecznie mikrostruktura może zawierać ferryt, perlit, cementyt i grafit w postaci lamelarnej lub sferoidalnej. Udział każdej z tych faz zależy od składu stopu i szybkości chłodzenia.
Jest to najczęstsza szara czcionka. Grafit występuje w postaci lameli. To właśnie ten lamelarny kształt grafitu (efekt karbu) sprawia, że żeliwa GL są kruche. Z drugiej strony grafit poprawia właściwości cierne żeliwa, a tym samym wspomaga obróbkę.
Główne cechy czcionek GL to:
Główne wady:
Główne zastosowania:
Żeliwa GS są opracowywane od 1948 roku. Żeliwo, w którym występuje grafit w postaci kulek (sferoidów). Tę szczególną mikrostrukturę uzyskuje się przez dodanie magnezu do żeliwa na krótko przed odlewaniem (jeśli żeliwo jest utrzymywane w stanie stopionym, traci właściwości żeliwa GS po około dziesięciu minutach): jest to obróbka sferoidyzacyjna. Magnez odparowuje, ale powoduje szybką krystalizację grafitu w postaci grudek. Ta mikrostruktura nadaje mu właściwości mechaniczne zbliżone do stali. W rzeczywistości sferoidalny kształt grafitu nadaje żeliwu dobrą ciągliwość.
Uzyskanie czcionki GSPodczas krzepnięcia żeliwa sferoidalnego w cieczy pojawiają się sferoidy. Guzki węgla będą rosły, wyczerpując płyn wokół nich w węgiel. W miarę postępu krzepnięcia te sferoidy otaczają się otoczką austenityczną. Węgiel musi następnie dyfundować w tej otoczce austenitycznej, aby następnie krystalizować na sferoidach węglowych.Dlatego to dyfuzja węgla w austenicie staje się głównym mechanizmem kontrolującym wzrost guzków. Przeprowadzając analizę termiczną (temperatura w funkcji czasu) możemy również zaobserwować to zjawisko. W rzeczywistości podczas chłodzenia nie obserwuje się poziomu eutektycznego ze względu na brak równowagi między fazą ciekłą i stałą (wyrażoną utratą kontaktu między grafitem a cieczą). Po zakończeniu krzepnięcia węgiel nadal dyfunduje w austenicie. Rzeczywiście, rozpuszczalność węgla w austenicie spada wraz z temperaturą. Transformacja eutektoidalna zachodzi w pewnym zakresie temperatur. W tym momencie, gdy austenit przekształca się w ferryt, obserwujemy coraz więcej atomów węgla dyfundujących w kierunku guzków. Tłumaczy się to tym, że rozpuszczalność węgla jest niższa w ferrycie (struktura krystalograficzna: sześciennie wyśrodkowana) niż w austenicie (struktura sześcienna wyśrodkowana na powierzchni). Ten proces krzepnięcia, a następnie chłodzenia powoduje powstanie mikrostruktury równowagi składającej się z bryłek węgla skąpanych w osnowie ferrytycznej. Oczywiście ma to miejsce tylko wtedy, gdy węgiel ma czas na dyfuzję w austenicie / ferrycie. Jeśli krzepnięcie i chłodzenie jest szybsze niż szybkość dyfuzji węgla, węgiel otrzymuje się w postaci cementytu (wykres metastabilny) zamiast w postaci grafitu (wykres stabilny) i obserwuje się również przemianę austenitu. ferryt.
Sferoidy powstają z niejednorodnych ziaren, obcych cząstek pozwalających na krystalizację grafitu. Istnieją różne pierwiastki, które sprzyjają powstawaniu grafitu w formie sferoidalnej: cer, lit, bar, stront i wiele innych pierwiastków. Przemysłowo jednak to magnez jest wykorzystywany przez wprowadzenie go w postaci żelazostopu (FeSiMg). Wszystkie środki sferoidyzujące są chciwe na siarkę i tlen, ich działanie jest możliwe tylko dzięki nadmiarowi pozostałości po reakcji z tlenem i siarką. Ponadto pierwiastki te są ulotne i lotne w temperaturze kąpieli płynnej, dlatego ich działanie można odczuć tylko przez krótki czas (kilka minut). Niemniej jednak wskazane jest, aby nie wprowadzać tych pierwiastków w nadmiarze do kąpieli stopionej, ponieważ niektóre z nich (w szczególności magnez) sprzyjają krzepnięciu żeliwa zgodnie z wykresem metastabilnym i dlatego mogą prowadzić do tworzenia węglików i ryzyka zbyt wysoka zawartość pozostałości jest również faktem otrzymania grafitu zdegenerowanego.
Istnieją również pierwiastki, które zapobiegają powstawaniu grafitu w postaci sferoidów: bizmut (dla ilości powyżej 20 ppm ), tytan (dla ilości powyżej 400 ppm ), ołów (dla ilości powyżej 20 ppm ).
W przypadku obróbki sferoidyzacyjnej istnieje kilka możliwych przemysłowych metod wprowadzania żelazostopu magnezu:
Struktura żeliwa zależy od dodanych elementów i szybkości chłodzenia, parametry te silnie zależą od grubości części. Struktura ta silnie wpływa na właściwości mechaniczne.
Wyróżniamy :
Te różne mikrostruktury można uzyskać poprzez modyfikację składu żeliw sferoidalnych (ale także poprzez modyfikację chłodzenia). Jako pierwiastki stopowe znajdujemy w szczególności:
Aby scharakteryzować mikrostrukturę żeliwa, można zmierzyć różne właściwości, w szczególności cechy morfologiczne grafitu. W rzeczywistości, aby móc klasyfikować cząstki grafitu i decydować, czy cząstka grafitu jest sferoidalna, czy nie, opieramy się na normie NF-EN-945 (pozwala na wizualną klasyfikację grafitu) lub normie NF A04-197, która umożliwia klasyfikować każdą z cząstek za pomocą oprogramowania do analizy obrazu, obliczając ich charakterystykę morfologiczną. Zgodnie z tymi dwoma normami cząstki grafitu można podzielić na 6 klas: Forma I, Forma II, Forma III, Forma IV, Forma V, Forma VI. Cząstki grafitu nazywane są guzkami, jeśli mają formę V lub VI.
Po sklasyfikowaniu cząstek możemy obliczyć sferoidalność naszego żeliwa. Zgodnie z normą EN-1563, aby właściwości mechaniczne żeliwa GS były zgodne z tym, co wskazano w normie, konieczne jest, abyśmy mieli sferoidalność większą niż 80%. Sferoidalność jest równa procentowi powierzchni cząstek grafitu postaci V i VI.:
Przeznaczenie | R m ( MPa ) | R p0.2 (MPa) | W % | Struktura macierzy | Twardość ( HB ) |
---|---|---|---|---|---|
EN-GJS-700-2 (FGS 700-2) | 700 | 470 | 2 | Perłowiec | 240-300 |
EN-GJS-600-2 (FGS 600-2) | 600 | 400 | 2 | Perłowiec | 230-280 |
EN-GJS-500-7 (FGS 500-7) | 500 | 350 | 7 | Perlit-ferrytyczny | 210-260 |
EN-GJS-400-15 (FGS 400-15) | 400 | 250 | 15 | Ferryt | <220 |
EN-GJS-350-22 (FGS 350-22) | 350 | 220 | 22 | Ferryt | <200 |
EN-GJS-450-18 (FGS 450-18) | 450 | 350 | 18 | Wzmocniony ferryt | 170-200 |
EN-GJS-500-14 (FGS 500-14) | 500 | 400 | 14 | Wzmocniony ferryt | 185-215 |
EN-GJS-600-10 (FGS 600-10) | 600 | 470 | 10 | Wzmocniony ferryt | 200-230 |
Zaletami żeliwa sferoidalnego w porównaniu ze stalą są w szczególności wyższy stosunek wytrzymałości mechanicznej do masy, co umożliwia wytwarzanie lżejszych części, lepsza obrabialność , możliwość niemal całkowitego recyklingu (części odlane w żeliwie nadają się do recyklingu), niższy koszt energetyczny topienia oraz fakt, że żeliwo nie jest toksyczne.
Główne zastosowaniaŻeliwo, w którym grafit występuje pomiędzy lamelami a kulkami (brak efektu karbu grafitu). Ta szczególna mikrostruktura jest uzyskiwana przez dodanie magnezu o mniejszej zawartości niż dla żeliwa sferoidalnego (na ogół około 0,020% wobec minimum 0,035% dla FGS) w żeliwie o bardzo niskiej zawartości siarki. Możliwe jest również otrzymanie tego typu żeliwa wychodząc z żeliwa sferoidalnego i blokując przemianę ziaren grafitu poprzez dostarczanie bardzo niskich dawek tytanu, co pozwala na uzyskanie większego zakresu odlewania. jednak metoda ta jest już dziś prawie nie stosowana, ponieważ dodatek tytanu prowadził do powstania węgloazotków tytanu o bardzo dużej twardości, co silnie wpływało na obróbkę. Mikrostruktura żeliwa wermikularnego łączy zalety żeliwa płytkowego (płynność, pochłanianie drgań) bez wad (kruchość) z zaletami żeliwa GS (odporność mechaniczna). Główną wadą jest trudność uzyskania pożądanej struktury i sprawdzenia, czy ta struktura została uzyskana.
Właściwości mechaniczne to:Przeznaczenie | R m (MPa) | R p0.2 (MPa) | W% | Struktura macierzy | Twardość (HB) |
---|---|---|---|---|---|
EN-GJV-350-7 (FGV 350-7) | 350 | 220 | 7 | Ferryt-perlit | <200 |
Norma europejska EN 1560 wskazuje:
Stara francuska norma NF A 02-001 stwierdzała:
Przykłady:
Żeliwo stosowane jest do wszelkiego rodzaju części mechanicznych. Większość części uzyskuje się poprzez wlewanie ciekłego metalu do form z piasku krzemionkowego (patrz odlewanie ).
Czcionki mogą być implementowane przez:
Odlewanie ciągłe umożliwia uzyskanie żeliwa o drobnej strukturze, zastosowanie to przemysł hydrauliczny (rozdzielacz hydrauliczny itp.), przemysł szklarski, prosta część mechaniczna itp.
Odlewnie żeliwa i stali (2017, vol. 100F) zostały uznane za niski/umiarkowany czynnik ryzyka raka płuc .
Termin żeliwo jest czasami używany do oznaczenia innych stopów, wszystkie te zastosowania są nieprawidłowe :