Segjärn: egenskaper, märkning och omfattning

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-02 14:03

Gjutjärn är en hård, korrosionsbeständig, men spröd järn-kol-legering med kolh alt C som sträcker sig från 2,14 till 6,67 %. Trots närvaron av karakteristiska brister har den en mängd olika typer, egenskaper, applikationer. Segjärn används ofta.

Historia

Detta material har varit känt sedan 300-talet f. Kr. e. Dess kinesiska rötter ligger i VI-talet. före Kristus e. I Europa går det första omnämnandet av den industriella produktionen av legeringen tillbaka till 1300-talet och i Ryssland - till 1500-talet. Men tekniken för tillverkning av segjärn patenterades i Ryssland på 1800-talet. Senare utvecklad av A. D. Annosov.

Eftersom grå gjutjärn är begränsade i användning på grund av låga mekaniska egenskaper, och stål är dyra och har låg hårdhet och hållbarhet, uppstod frågan om att skapa en pålitlig, hållbar hårdmetall, samtidigt som den har ökad hållfasthet och en viss plasticitet.

Smida gjutjärn är inte möjligt, men på grund av dess sega egenskaper lämpar det sig för vissa typer av tryckbehandling (till exempel stämpling).

Produktion

Huvudvägen -smältning i masugnar.

Råmaterial för masugnsbehandling:

• Batch - järnmalm som innehåller metall i form av ferumoxider.
• Bränsle – koks och naturgas.
• Oxygen - injiceras genom speciella lansar.
• Flux är kemiska formationer baserade på mangan och (eller) kisel.

Stapper av masugn:

1. Återvinning av rent järn genom kemiska reaktioner av järnmalm med syre tillfört genom lansar.
2. Förbränning av koks och bildning av koloxider.
3. Karburering av rent järn i reaktioner med CO och CO_2.
4. Mättnad av Fe_{3C med mangan och kisel, beroende på vilka utdataegenskaper som krävs.}
5. Tömning av färdig metall i formar genom tapphål i gjutjärn; slagg som rinner ut genom slagghål.

I slutet av arbetscykeln tar masugnar emot tackjärn, slagg och masugnsgaser.

masugnsmetallprodukter

Beroende på kylhastighet, mikrostruktur, mättnad med kol och tillsatser är det möjligt att få flera typer av gjutjärn:

1. Köpt (vit): bundet kol, primär cementit. De används som råmaterial för smältning av andra järn-kol-legeringar, bearbetning. Upp till 80 % av all producerad masugnslegering.
2. Gjuteri (grå): kol i form av helt eller delvis fri grafit, nämligen dess plattor. Används för tillverkning av kroppsdelar med lågt ansvar. Upp till 19 % av tillverkade masugnsgjutgods.
3. Special: rik på ferrolegeringar. 1–2 % av den övervägda typen av produktion.

Sektjärn erhålls genom värmebehandling av tackjärnet.

Teori om järn-kolstrukturer

Kol med ferum kan bilda flera olika typer av legeringar beroende på typen av kristallgitter, som visas på mikrostruktur alternativet.

1. Penetrering av fast lösning i α-järn - ferrit.
2. Penetrering av fast lösning i γ-järn - austenit.
3. Kemisk bildning Fe_{3C (bundet tillstånd) – cementit. Primär bildas genom snabb kylning från en flytande smälta. Sekundär - långsammare temperaturminskning, från austenit. Tertiär - gradvis kylning, från ferrit.}
4. Mekanisk blandning av korn av ferrit och cementit - perlit.
5. Mekanisk blandning av korn av perlit eller austenit och cementit - ledeburite.

Gjutjärn har en speciell mikrostruktur. Grafit kan vara i en bunden form och bilda ovanstående strukturer, eller den kan vara i ett fritt tillstånd i form av olika inneslutningar. Egenskaperna påverkas av både huvudkornen och dessa formationer. Grafitfraktioner i metall är plattor, flingor eller kulor.

Lamellformen är karakteristisk för grå järn-kol-legeringar. Det gör dem ömtåliga och opålitliga.

Flingliknande inneslutningar har formbara gjutjärn, som har en positiv effekt på deras mekaniska prestanda.

Grafitens sfäriska struktur är ännu merförbättrar metallens kvalitet, vilket påverkar ökningen av hårdhet, tillförlitlighet, exponering för betydande belastningar. Höghållfast gjutjärn har dessa egenskaper. Formbart gjutjärn bestämmer dess egenskaper genom ferritiska eller perlitiska baser med närvaron av flagnande grafitinneslutningar.

Tillverkning av ferritiskt segjärn

Den tillverkas av en hypoeutektoid lågkollegering av en vit gris genom att glödga göt med en kolh alt på 2,4-2,8 % och närvaron av tillsatser motsvarande dem (Mn, Si, S, P). Tjockleken på de glödgade delarnas väggar bör inte vara mer än 5 cm. För gjutgods av betydande tjocklek har grafit formen av plattor och de önskade egenskaperna uppnås inte.

För att få segjärn med ferritisk bas, placeras metallen i speciella lådor och strös med sand. Tättslutna behållare placeras i värmeugnar. Utför följande sekvens av åtgärder under glödgningen:

1. Strukturerna värms upp i ugnar till en temperatur på 1 000 ˚C och får stå vid konstant värme i 10 till 24 timmar. Som ett resultat sönderfaller primär cementit och ledeburit.
2. Metalen kyls till 720 ˚С tillsammans med ugnen.
3. Vid en temperatur på 720 ˚С hålls de under lång tid: från 15 till 30 timmar. Denna temperatur säkerställer nedbrytningen av sekundär cementit.
4. I slutskedet kyls de igen tillsammans med den fungerande kaminen till 500 ˚С och tas sedan ut i luften.

Sådan teknisk glödgning kallas grafitisering.

Efter utfört arbete är materialets mikrostrukturferrit med flagnande grafitkorn. Den här typen kallas "black-hearted" eftersom pausen är svart.

Tillverkning av perlitiskt segjärn

Detta är en sorts järn-kol-legering, som också härstammar från hypoeutectoid white, men kolh alten i den är ökad: 3-3,6%. För att erhålla gjutgods med perlitbas placeras de i lådor och beströs med krossad pulveriserad järnmalm eller fjäll. Själva glödgningsproceduren är förenklad.

1. Temperaturen på metallen höjs till 1 000 ˚C, hålls i 60-100 timmar.
2. Designar cool med ugn.

På grund av tröghet under inverkan av värme sker diffusion i metallmiljön: grafiten som frigörs i cementitförmultningen lämnar delvis ytskiktet av de glödgade delarna och lägger sig på malmens yta eller skalan. Ett mjukare, mer segt och segt övre lager av "vithjärtat" segjärn med en hård mitt erhålls.

Sådan glödgning kallas ofullständig. Det säkerställer sönderdelningen av cementit och ledeburit till lamellär perlit med motsvarande grafit. Om granulärt perlitiskt segjärn med högre slaghållfasthet och duktilitet krävs, appliceras ytterligare uppvärmning av materialet upp till 720 ˚С. Detta resulterar i bildandet av perlitkorn med flagnande grafitinneslutningar.

Egenskaper, märkningar och tillämpningar av ferritiskt segjärn

Lång "utmattning" av metallen i ugnen resulterar i fullständigt sönderfall av cementit och ledeburit till ferrit. Tack varetekniska knep erhålls en legering med hög kolh alt - en ferritisk struktur som är karakteristisk för lågkolh altigt stål. Kolet i sig försvinner dock inte någonstans – det går från ett tillstånd bundet till järn till ett fritt tillstånd. Temperatureffekt ändrar formen på grafitinneslutningar till flagnande.

Ferritisk struktur orsakar en minskning av hårdheten, en ökning av hållfasthetsvärdena, närvaron av sådana egenskaper som slaghållfasthet och duktilitet.

Märkning av segjärn av ferritisk klass: KCh30-6, KCh33-8, KCh35-10, KCh37-12, där:

KCh – sortsbeteckning – formbar;

30, 33, 35, 37: σ_v, 300, 330, 350, 370 N/mm^{2 - maximal belastning att den tål utan att kollapsa;}

6, 8, 10, 12 – relativ töjning, δ, % – duktilitetsindex (ju högre värde, desto mer kan metallen bearbetas med tryck).

Hårdhet - cirka 100-160 HB.

Detta material, vad gäller dess prestanda, upptar en mittposition mellan såsom stål och grå järn-kollegering. Duktilt gjutjärn med ferritisk bas är sämre än perlitiskt när det gäller slitstyrka, korrosion och utmattningshållfasthet, men högre när det gäller mekanisk uthållighet, duktilitet och gjutegenskaper. På grund av sitt låga pris används den i stor utsträckning inom industrin för tillverkning av delar som arbetar under låg och medelstor belastning: växlar, vevhus, bakaxlar, VVS.

Egenskaper, markeringar och tillämpningar av perlitiskt segjärn

På grund av ofullständig glödgning hinner primära, sekundära cementiter och ledeburit lösas upp helt i austenit, som vid en temperatur på 720 ˚С övergår till perlit. Den senare är en mekanisk blandning av korn av ferrit och tertiär cementit. Faktiskt förblir en del av kolet i en bunden form, bestämmer strukturen och en del "släpps ut" till flagig grafit. I detta fall kan perlit vara lamellär eller granulär. På så sätt bildas perlitiskt segjärn. Dess egenskaper beror på dess mättade, hårdare och mindre böjliga struktur.

Dessa, i jämförelse med ferritiska, har högre korrosionsskyddande, slitstarka egenskaper, deras styrka är mycket högre, men lägre gjutegenskaper och duktilitet. Böjligheten mot mekanisk påfrestning ökas ytligt, samtidigt som hårdheten och viskositeten hos produktens kärna bibehålls.

Märkning av gjutjärnsparlitklass: KCh45-7, KCh50-5, KCh56-4, KCh60-3, KCh65-3, KCh70-2, KCh80-1, 5.

Den första siffran är hållfasthetsbeteckningen: 450, 500, 560, 600, 650, 700 och 800 N/mm2 respektive.

Andra - beteckningen på plasticitet: förlängning δ,% - 7, 5, 4, 3, 3, 2 och 1, 5.

Perlitiskt formbart gjutjärn har använts inom mekanik och instrumentering för konstruktioner som arbetar under tunga belastningar - både statiska och dynamiska: kamaxlar, vevaxlar, kopplingsdelar, kolvar, vevstakar.

Värmebehandling

Det material som erhålls som ett resultat av värmebehandling, nämligen glödgning, kan reutsättas för temperaturpåverkan. Deras huvudsakliga mål är att ytterligare öka styrkan, slitstyrkan, motståndskraften mot korrosion och åldrande.

1. Härdning används för strukturer som kräver hög hårdhet och seghet; produceras genom uppvärmning upp till 900 ˚С, kyls delarna med en genomsnittlig hastighet på cirka 100 ˚С/sek med hjälp av maskinolja. Den följs av hög temperering med uppvärmning upp till 650˚С och luftkylning.
2. Normalisering används för medelstora enkla delar genom att värma i en ugn till 900 ˚С, hålla vid denna temperatur under en period av 1 till 1,5 timmar och sedan kyla i luft. Ger troostit granulär perlit, dess hårdhet och tillförlitlighet i friktion och slitage. Det används för att erhålla antifriktionsformbart gjutjärn med en perlitisk bas.
3. Glödgning upprepas vid tillverkning av antifriktion: uppvärmning - upp till 900 ˚С, långtidshållning vid denna värme, kylning tillsammans med ugnen. Den ferritiska eller ferritiska-perlitiska strukturen av antifriktions segjärn tillhandahålls.

Uppvärmning av gjutjärnsprodukter kan utföras lok alt eller i kombination. För lok alt bruk, högfrekventa strömmar eller en acetylenlåga (härdning). För komplexa - uppvärmningsugnar. Med lokal uppvärmning härdas endast det övre lagret medan dess hårdhet och styrka ökar, men kärnans plasticitet och viskositet kvarstår.

Det är viktigt att påpeka här att smide av gjutjärn är omöjligt inte bara på grund av otillräcklig mekaniskegenskaper, men också på grund av dess höga känslighet för ett kraftigt temperaturfall, vilket är oundvikligt vid härdning med vattenkylning.

Anti-friktions segjärn

Denna variant gäller både formbara och legerade, de är grå (ASF), formbara (ASC) och höghållfasta (ACS). Segjärn används för produktion av ACHK, som glödgas eller normaliseras. Processerna utförs för att öka dess mekaniska egenskaper och bilda en ny egenskap - slitstyrka vid friktion med andra delar.

Märkt: AChK-1, AChK-2. Den används för tillverkning av vevaxlar, växlar, lager.

Påverkan av tillsatser på egenskaper

Förutom järn-kolbasen och grafiten innehåller de även andra komponenter som också bestämmer egenskaperna hos gjutjärn: mangan, kisel, fosfor, svavel och några legeringsämnen.

Mangan ökar flytande metall, korrosionsbeständighet och slitstyrka. Det hjälper till att öka hårdheten och styrkan, binder kol med järn i den kemiska formeln Fe_{3C, bildandet av granulär perlit.}

Kisel har också en positiv effekt på den flytande legeringens fluiditet, främjar nedbrytningen av cementit och frigörandet av grafitinneslutningar.

Svavel är en negativ men oundviklig komponent. Det minskar mekaniska och kemiska egenskaper, stimulerar bildandet av sprickor. Det rationella förhållandet mellan dess innehåll och andra element (till exempel med mangan) tillåter dockkorrekta mikrostrukturella processer. Så, vid Mn-S-förhållandet 0,8-1,2, bevaras perlit när som helst av temperaturpåverkan. När förhållandet ökas till 3 blir det möjligt att få vilken struktur som helst, beroende på de angivna parametrarna.

Fosfor ändrar flytbarheten till det bättre, påverkar hållfastheten, minskar slaghållfastheten och formbarheten, påverkar varaktigheten av grafitiseringen.

Krom och molybden hindrar bildningen av grafitflingor, i vissa innehåll bidrar de till bildningen av granulär perlit.

Tungsten förbättrar slitstyrkan i områden med hög temperatur.

Aluminium, nickel, koppar bidrar till grafitisering.

Genom att justera mängden kemiska grundämnen som utgör järn-kol-legeringen, såväl som deras förhållande, är det möjligt att påverka de slutliga egenskaperna hos gjutjärn.

Fördelar och nackdelar

Segjärn är ett material som används flitigt inom teknik. Dess främsta fördelar:

• hög hårdhet, slitstyrka, styrka tillsammans med flytbarhet;
• normal seghet och duktilitetsegenskaper;
• tillverkningsbarhet vid formning, till skillnad från grått gjutjärn;
• olika alternativ för att korrigera egenskaper för en specifik del genom metoder för termisk och kemisk-termisk behandling;
• låg kostnad.

Nackdelar inkluderar individuella egenskaper:

• bräcklighet;
• närvaro av grafitinneslutningar;
• dålig skärprestanda;
• betydlig vikt av gjutgods.

Trots de befintliga bristerna intar segjärn en ansvarsfull plats inom metallurgi och ingenjörskonst. Sådana viktiga delar som vevaxlar, bromsbeläggsdelar, kugghjul, kolvar, vevstakar är gjorda av det. Med en obetydlig variation av kvaliteter upptar segjärn en individuell nisch i branschen. Dess användning är typisk för de laster där användningen av andra material är osannolik.