Ferro sferoidale: proprietà, marcatura e ambito

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-02 13:57

La ghisa è una lega ferro-carbonio dura, resistente alla corrosione, ma fragile con un contenuto di carbonio C compreso tra 2,14 e 6,67%. Nonostante la presenza di carenze caratteristiche, ha una varietà di tipi, proprietà, applicazioni. Il ferro sferoidale è ampiamente utilizzato.

Cronologia

Questo materiale è noto dal 4° secolo aC. e. Le sue radici cinesi risalgono al VI secolo. AVANTI CRISTO e. In Europa, la prima menzione della produzione industriale della lega risale al XIV e in Russia al XVI secolo. Ma la tecnologia per la produzione di ghisa sferoidale è stata brevettata in Russia nel 19° secolo. Successivamente sviluppato da AD Annosov.

Poiché le ghise grigie sono limitate nell'uso a causa delle basse proprietà meccaniche e gli acciai sono costosi e hanno una bassa durezza e durata, è sorta la questione di creare un metallo duro affidabile, durevole e allo stesso tempo dotato di una maggiore resistenza e una certa plasticità.

Non è possibile forgiare la ghisa, ma per le sue caratteristiche duttili si presta ad alcuni tipi di trattamento a pressione (ad esempio lo stampaggio).

Produzione

La via principale -fusione negli altiforni.

Magazzino per la lavorazione dell' altoforno:

• Lotto - minerale di ferro contenente metallo sotto forma di ossidi di ferum.
• Carburante - coke e gas naturale.
• Ossigeno - iniettato attraverso speciali lance.
• I flussi sono formazioni chimiche a base di manganese e (o) silicio.

Fasi dell' altoforno:

1. Recupero del ferro puro mediante reazioni chimiche del minerale di ferro con l'ossigeno fornito dalle lance.
2. Combustione di coke e formazione di ossidi di carbonio.
3. Carburazione del ferro puro nelle reazioni con CO e CO_2.
4. Saturazione di Fe_{3C con manganese e silicio, a seconda delle proprietà di uscita richieste.}
5. Drenaggio del metallo finito negli stampi attraverso fori in ghisa; scarico delle scorie attraverso i pozzi delle scorie.

Alla fine del ciclo di lavoro, gli altiforni ricevono ghisa, scorie e gas di altoforno.

Prodotti metallici per altoforno

A seconda della velocità di raffreddamento, microstruttura, saturazione con carbonio e additivi, è possibile ottenere diversi tipi di ghisa:

1. Acquistato (bianco): carbonio legato, cementite primaria. Sono usati come materie prime per la fusione di altre leghe ferro-carbonio, lavorazione. Fino all'80% di tutte le leghe prodotte per altoforno.
2. Fonderia (grigio): carbonio sotto forma di grafite completamente o parzialmente libera, ovvero le sue lastre. Utilizzato per la produzione di parti del corpo a bassa responsabilità. Fino al 19% dei getti prodotti in altoforno.
3. Speciale: ricco di ferroleghe. 1-2% della tipologia di produzione considerata.

La ghisa sferoidale si ottiene dal trattamento termico della ghisa.

Teoria delle strutture ferro-carbonio

Il carbonio con ferum può formare diversi tipi di leghe a seconda del tipo di reticolo cristallino, visualizzato nell'opzione microstruttura.

1. Penetrazione della soluzione solida nel ferro α - ferrite.
2. Penetrazione della soluzione solida nel ferro γ - austenite.
3. Formazione chimica Fe_{3C (stato legato) – cementite. Il primario è formato dal raffreddamento rapido da una fusione liquida. Secondario: diminuzione della temperatura più lenta, da austenite. Terziario - raffreddamento graduale, da ferrite.}
4. Miscela meccanica di granuli di ferrite e cementite - perlite.
5. Miscela meccanica di grani di perlite o austenite e cementite - ledeburite.

Le ghise hanno una microstruttura speciale. La grafite può essere in una forma legata e formare le strutture di cui sopra, oppure può essere in uno stato libero sotto forma di varie inclusioni. Le proprietà sono influenzate sia dai grani principali che da queste formazioni. Le frazioni di grafite nel metallo sono lastre, scaglie o palline.

La forma lamellare è caratteristica delle leghe grigie ferro-carbonio. Li rende fragili e inaffidabili.

Le inclusioni simili a scaglie hanno ghise malleabili, che hanno un effetto positivo sulle loro prestazioni meccaniche.

La struttura sferica della grafite è ancora di piùmigliora la qualità del metallo, influendo sull'aumento della durezza, dell'affidabilità, dell'esposizione a carichi significativi. La ghisa ad alta resistenza ha queste caratteristiche. La ghisa malleabile determina le sue proprietà da basi ferritiche o perlitiche con presenza di inclusioni di grafite friabile.

Produzione di ghisa sferoidale ferritica

È prodotto da una lega ipoeutettoide di suino bianco a basso tenore di carbonio mediante ricottura di lingotti con un contenuto di carbonio del 2,4-2,8% e la presenza di additivi ad essi corrispondenti (Mn, Si, S, P). Lo spessore delle pareti delle parti ricotte non deve essere superiore a 5 cm Per getti di spessore significativo, la grafite ha la forma di lastre e le proprietà desiderate non vengono raggiunte.

Per ottenere la ghisa sferoidale a base ferritica, il metallo viene riposto in apposite scatole e cosparso di sabbia. I contenitori ben chiusi vengono posti in forni di riscaldamento. Eseguire la seguente sequenza di azioni durante la ricottura:

1. Le strutture vengono riscaldate in forni ad una temperatura di 1.000 ˚C e lasciate riposare a calore costante per un periodo da 10 a 24 ore. Di conseguenza, la cementite primaria e la ledeburite si disintegrano.
2. Il metallo viene raffreddato a 720 ˚С insieme al forno.
3. Ad una temperatura di 720 ˚С si conservano a lungo: dalle 15 alle 30 ore. Questa temperatura assicura la decomposizione della cementite secondaria.
4. Nella fase finale, vengono nuovamente raffreddati insieme alla stufa funzionante a 500 ˚С, quindi rimossi all'aria.

Tale ricottura tecnologica è chiamata grafitizzazione.

Dopo il lavoro svolto, la microstruttura del materiale èferrite con grani di grafite friabile. Questo tipo è chiamato "cuore nero" perché l'interruzione è nera.

Produzione di ghisa sferoidale perlitica

Questa è una specie di lega ferro-carbonio, anch'essa originata dal bianco ipoeutettoide, ma il contenuto di carbonio in essa contenuto è aumentato: 3-3,6%. Per ottenere getti a base di perlite, vengono posti in scatole e cosparsi di minerale di ferro in polvere tritato o scaglie. La stessa procedura di ricottura è semplificata.

1. La temperatura del metallo viene aumentata a 1.000 ˚C, mantenuta per 60-100 ore.
2. I disegni si raffreddano con il forno.

A causa del languore sotto l'influenza del calore, la diffusione avviene nell'ambiente metallico: la grafite rilasciata nel decadimento della cementite lascia parzialmente lo strato superficiale delle parti ricotte, depositandosi sulla superficie del minerale o della scaglia. Si ottiene uno strato superiore più morbido, duttile e duttile di ferro duttile "dal cuore bianco" con un centro duro.

Tale ricottura è chiamata incompleta. Assicura la disintegrazione di cementite e ledeburite in perlite lamellare con la corrispondente grafite. Se è richiesta ghisa sferoidale perlitica granulare con maggiore resistenza all'urto e duttilità, viene applicato un riscaldamento aggiuntivo del materiale fino a 720 ˚С. Ciò si traduce nella formazione di grani di perlite con inclusioni di grafite a scaglie.

Proprietà, marcature e applicazioni della ghisa sferoidale ferritica

Il lungo "languidimento" del metallo nella fornace provoca il completo decadimento della cementite e della ledeburite in ferrite. Grazie atrucchi tecnologici, si ottiene una lega ad alto contenuto di carbonio: una struttura ferritica caratteristica dell'acciaio a basso tenore di carbonio. Tuttavia, il carbonio stesso non scompare da nessuna parte: passa da uno stato legato al ferro a uno stato libero. L'effetto della temperatura cambia la forma delle inclusioni di grafite in scaglie.

La struttura ferritica provoca una diminuzione della durezza, un aumento dei valori di resistenza, la presenza di caratteristiche quali resistenza all'urto e duttilità.

Marcatura di ghisa sferoidale di classe ferritica: KCh30-6, KCh33-8, KCh35-10, KCh37-12, dove:

KCh – denominazione della varietà – malleabile;

30, 33, 35, 37: σ_v, 300, 330, 350, 370 N/mm^{2 - carico massimo che può resistere senza crollare;}

6, 8, 10, 12 – allungamento relativo, δ, % – indice di duttilità (maggiore è il valore, più il metallo può essere lavorato a pressione).

Durezza - circa 100-160 HB.

Questo materiale, in termini di prestazioni, occupa una posizione intermedia tra l'acciaio e la lega grigia ferro-carbonio. La ghisa sferoidale a base ferritica è inferiore alla perlitica in termini di resistenza all'usura, alla corrosione e alla fatica, ma superiore in termini di resistenza meccanica, duttilità e caratteristiche di colata. A causa del suo basso prezzo, è ampiamente utilizzato nell'industria per la produzione di parti che operano a bassi e medi carichi: ingranaggi, basamenti, assali posteriori, idraulici.

Proprietà, marcature e applicazioni della ghisa sferoidale perlitica

A causa della ricottura incompleta, le cementiti primarie, secondarie e la ledeburite hanno il tempo di dissolversi completamente nell'austenite, che a una temperatura di 720 ˚С si trasforma in perlite. Quest'ultimo è un impasto meccanico di granuli di ferrite e cementite terziaria. In re altà, parte del carbonio rimane in una forma legata, determina la struttura e parte viene "rilasciata" in grafite a scaglie. In questo caso, la perlite può essere lamellare o granulare. Si forma così la ghisa duttile perlitica. Le sue proprietà sono dovute alla sua struttura satura, più dura e meno flessibile.

Questi, rispetto ai ferritici, hanno maggiori proprietà anticorrosive e resistenti all'usura, la loro resistenza è molto più elevata, ma caratteristiche di colata e duttilità inferiori. La flessibilità alle sollecitazioni meccaniche è aumentata superficialmente, mantenendo la durezza e la viscosità dell'anima del prodotto.

Marcatura della classe perlitica della ghisa malleabile: KCh45-7, KCh50-5, KCh56-4, KCh60-3, KCh65-3, KCh70-2, KCh80-1, 5.

La prima cifra è la designazione della forza: 450, 500, 560, 600, 650, 700 e 800 N/mm2 rispettivamente.

Secondo - la designazione della plasticità: allungamento δ,% - 7, 5, 4, 3, 3, 2 e 1, 5.

La ghisa malleabile perlitica è stata utilizzata nell'ingegneria meccanica e nella strumentazione per strutture che operano sotto carichi pesanti, sia statici che dinamici: alberi a camme, alberi a gomiti, parti della frizione, pistoni, bielle.

Trattamento termico

Il materiale ottenuto a seguito di un trattamento termico, ovvero la ricottura, può essere ricondizionatoessere sottoposto agli influssi della temperatura. Il loro obiettivo principale è aumentare ulteriormente la forza, la resistenza all'usura, la resistenza alla corrosione e all'invecchiamento.

1. La tempra viene utilizzata per strutture che richiedono elevata durezza e tenacità; prodotto riscaldando fino a 900 ˚С, le parti vengono raffreddate a una velocità media di circa 100 ˚С/sec utilizzando olio per macchine. Segue un alto rinvenimento con riscaldamento fino a 650˚С e raffreddamento ad aria.
2. La normalizzazione viene utilizzata per parti semplici di medie dimensioni riscaldando in forno a 900 ˚С, mantenendo a questa temperatura per un periodo da 1 a 1,5 ore e quindi raffreddando in aria. Fornisce perlite granulare troostite, la sua durezza e affidabilità nell'attrito e nell'usura. Viene utilizzato per ottenere ghise malleabili antifrizione a base perlitica.
3. La ricottura si ripete nella produzione di antifrizione: riscaldamento - fino a 900 ˚С, mantenimento a lungo termine a questo calore, raffreddamento insieme al forno. Viene fornita la struttura ferritica o ferritico-perlitica della ghisa sferoidale antifrizione.

Il riscaldamento dei prodotti in ghisa può essere effettuato localmente o in combinazione. Per uso locale, correnti ad alta frequenza o fiamma ad acetilene (indurimento). Per complessi - forni di riscaldamento. Con il riscaldamento locale, solo lo strato superiore viene indurito, mentre la sua durezza e resistenza aumentano, ma rimangono la plasticità e la viscosità del nucleo.

È importante sottolineare qui che la forgiatura della ghisa è impossibile non solo per l'insufficienza meccanicacaratteristiche, ma anche per la sua elevata sensibilità ad un forte calo di temperatura, inevitabile durante l'indurimento con raffreddamento ad acqua.

Ferros duttili antifrizione

Questa varietà si applica sia a quelli malleabili che a quelli legati, sono grigi (ASF), malleabili (ASC) e ad alta resistenza (ACS). La ghisa sferoidale viene utilizzata per la produzione di ACHK, che viene ricotto o normalizzato. I processi vengono eseguiti al fine di aumentarne le proprietà meccaniche e formare una nuova caratteristica: resistenza all'usura durante l'attrito con altre parti.

Contrassegnato: AChK-1, AChK-2. Viene utilizzato per la produzione di alberi a gomiti, ingranaggi, cuscinetti.

Influenza degli additivi sulle proprietà

Oltre alla base ferro-carbonio e alla grafite, contengono anche altri componenti che determinano anche le proprietà della ghisa: manganese, silicio, fosforo, zolfo e alcuni elementi di lega.

Mangan aumenta la fluidità del metallo liquido, la resistenza alla corrosione e all'usura. Aiuta ad aumentare la durezza e la forza, lega il carbonio con il ferro nella formula chimica Fe_{3C, la formazione di perlite granulare.}

Il silicio ha anche un effetto positivo sulla fluidità della lega liquida, favorisce la decomposizione della cementite e il rilascio di inclusioni di grafite.

Lo zolfo è una componente negativa ma inevitabile. Riduce le proprietà meccaniche e chimiche, stimola la formazione di crepe. Tuttavia, il rapporto razionale del suo contenuto con altri elementi (ad esempio con manganese) lo consentecorretti processi microstrutturali. Quindi, con un rapporto Mn-S di 0,8-1,2, la perlite viene preservata in qualsiasi momento delle influenze della temperatura. Quando il rapporto viene aumentato a 3, diventa possibile ottenere qualsiasi struttura necessaria, a seconda dei parametri specificati.

Il fosforo cambia in meglio la fluidità, influisce sulla forza, riduce la resistenza all'impatto e la duttilità, influisce sulla durata della grafitizzazione.

Cromo e molibdeno ostacolano la formazione di scaglie di grafite, in alcuni contenuti contribuiscono alla formazione di perlite granulare.

Il tungsteno migliora la resistenza all'usura nelle aree ad alta temperatura.

Alluminio, nichel e rame contribuiscono alla grafitizzazione.

Regolando la quantità di elementi chimici che compongono la lega ferro-carbonio, così come il loro rapporto, è possibile influenzare le proprietà finali della ghisa.

Vantaggi e svantaggi

Il ferro duttile è un materiale ampiamente utilizzato in ingegneria. I suoi principali vantaggi:

• elevata durezza, resistenza all'usura, robustezza e fluidità;
• caratteristiche di tenacità e duttilità normali;
• producibilità in formatura, a differenza delle ghise grigie;
• varie opzioni per correggere le proprietà di una parte specifica con metodi di trattamento termico e chimico-termico;
• basso costo.

Gli svantaggi includono le caratteristiche individuali:

• fragilità;
• presenza di inclusioni di grafite;
• scarse prestazioni di taglio;
• peso notevole dei getti.

Nonostante le carenze esistenti, la ghisa sferoidale occupa un posto responsabile nella metallurgia e nell'ingegneria. Da esso sono ricavate parti importanti come alberi a gomiti, parti di pastiglie dei freni, ruote dentate, pistoni, bielle. Avendo una varietà insignificante di gradi, la ghisa sferoidale occupa una nicchia individuale nel settore. Il suo utilizzo è tipico per quei carichi in cui è improbabile l'uso di altri materiali.