Tvárna liatina: vlastnosti, značenie a rozsah

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-02 14:02

Liatina je tvrdá, korózii odolná, ale krehká zliatina železa a uhlíka s obsahom uhlíka C v rozmedzí od 2,14 do 6,67 %. Napriek prítomnosti charakteristických nedostatkov má rôzne typy, vlastnosti, aplikácie. Tvárna liatina je široko používaná.

História

Tento materiál je známy už od 4. storočia pred Kristom. e. Jeho čínske korene siahajú do VI. storočia. pred Kr e. V Európe sa prvá zmienka o priemyselnej výrobe zliatiny datuje do 14. a v Rusku - do 16. storočia. Ale technológia na výrobu tvárnej liatiny bola patentovaná v Rusku v 19. storočí. Neskôr vyvinutý A. D. Annosovom.

Keďže použitie sivej liatiny je obmedzené z dôvodu nízkych mechanických vlastností a ocele sú drahé a majú nízku tvrdosť a trvanlivosť, vyvstala otázka vytvorenia spoľahlivého, odolného, tvrdého kovu so zvýšenou pevnosťou a určitá plasticita.

Kovanie liatiny nie je možné, ale vzhľadom na jej tvárne vlastnosti sa hodí na niektoré typy tlakového spracovania (napríklad razenie).

Produkcia

Hlavný spôsob -tavenie vo vysokých peciach.

Výstupná surovina pre spracovanie vo vysokej peci:

• Vsádzka - železná ruda obsahujúca kov vo forme oxidov železa.
• Palivo – koks a zemný plyn.
• Kyslík – vstrekovaný cez špeciálne dýzy.
• Tavivá sú chemické útvary na báze mangánu a (alebo) kremíka.

Fázy vysokej pece:

1. Získanie čistého železa chemickými reakciami železnej rudy s kyslíkom dodávaným cez dýzy.
2. Spaľovanie koksu a tvorba oxidov uhlíka.
3. Nauhličovanie čistého železa pri reakciách s CO a CO_2.
4. Nasýtenie Fe_{3C mangánom a kremíkom v závislosti od požadovaných výstupných vlastností.}
5. Odvádzanie hotového kovu do foriem cez liatinové odpichové otvory; vypúšťanie trosky cez odpichové otvory.

Na konci pracovného cyklu prijímajú vysoké pece surové železo, trosku a vysokopecné plyny.

Kovové výrobky z vysokej pece

V závislosti od rýchlosti ochladzovania, mikroštruktúry, nasýtenia uhlíkom a prísadami je možné získať niekoľko druhov liatiny:

1. Zakúpené (biele): viazaný uhlík, primárny cementit. Používajú sa ako suroviny na tavenie iných železo-uhlíkových zliatin, spracovanie. Až 80 % všetkých vyrobených vysokopecných zliatin.
2. Zlievárenský (sivý): uhlík vo forme úplne alebo čiastočne voľného grafitu, konkrétne jeho platní. Používa sa na výrobu častí tela s nízkou zodpovednosťou. Až 19 % vyrobených vysokopecných odliatkov.
3. Špeciálne: bohaté na ferozliatiny. 1 – 2 % uvažovaného typu výroby.

Tvárna liatina sa získava tepelným spracovaním surového železa.

Teória železo-uhlíkových štruktúr

Uhlík s ferum môže tvoriť niekoľko rôznych typov zliatin podľa typu kryštálovej mriežky, ktorá je zobrazená na možnosti mikroštruktúry.

1. Prenikanie tuhého roztoku do α-železa - feritu.
2. Prenikanie tuhého roztoku do γ-železa - austenitu.
3. Chemická tvorba Fe_{3C (viazaný stav) – cementit. Primárne vzniká prudkým ochladením z tekutej taveniny. Sekundárne - pomalší pokles teploty, z austenitu. Treťohorné - postupné ochladzovanie, z feritu.}
4. Mechanická zmes zŕn feritu a cementitu - perlit.
5. Mechanická zmes zŕn perlitu alebo austenitu a cementitu - ledeburitu.

Liatiny majú špeciálnu mikroštruktúru. Grafit môže byť vo viazanej forme a tvoriť vyššie uvedené štruktúry, alebo môže byť vo voľnom stave vo forme rôznych inklúzií. Vlastnosti ovplyvňujú hlavné zrná aj tieto útvary. Grafitové frakcie v kove sú dosky, vločky alebo guľôčky.

Lamelárny tvar je charakteristický pre zliatiny šedej liatiny a uhlíka. Robí ich krehkými a nespoľahlivými.

Vločkovité inklúzie majú kujné liatiny, ktoré majú pozitívny vplyv na ich mechanické vlastnosti.

Sférická štruktúra grafitu je ešte viaczlepšuje kvalitu kovu, čo ovplyvňuje zvýšenie tvrdosti, spoľahlivosti, vystavenie značnému zaťaženiu. Vysokopevnostná liatina má tieto vlastnosti. Temperovaná liatina určuje svoje vlastnosti feritickými alebo perlitickými bázami s prítomnosťou vločkovitých grafitových inklúzií.

Výroba feritickej tvárnej liatiny

Vyrába sa z bielej prasacej hypoeutektoidnej nízkouhlíkovej zliatiny žíhaním ingotov s obsahom uhlíka 2,4-2,8% a za prítomnosti im zodpovedajúcich prísad (Mn, Si, S, P). Hrúbka stien žíhaných dielov by nemala byť väčšia ako 5 cm. Pri odliatkoch s výraznou hrúbkou má grafit formu dosiek a nedosahujú sa požadované vlastnosti.

Na získanie tvárnej liatiny s feritickým základom sa kov vloží do špeciálnych boxov a posype pieskom. Tesne uzavreté nádoby sa vkladajú do ohrievacích pecí. Počas žíhania vykonajte nasledujúcu postupnosť činností:

1. Štruktúry sa zahrejú v peciach na teplotu 1 000 ˚C a nechajú sa stáť pri konštantnom teple po dobu 10 až 24 hodín. V dôsledku toho sa primárny cementit a ledeburit rozpadajú.
2. Kov sa ochladzuje na 720 ˚С spolu s pecou.
3. Pri teplote 720 ˚С sa uchovávajú dlhú dobu: od 15 do 30 hodín. Táto teplota zabezpečuje rozklad sekundárneho cementitu.
4. V záverečnej fáze sa opäť ochladia spolu s pracovným sporákom na 500 ˚С a potom sa odstránia na vzduch.

Takéto technologické žíhanie sa nazýva grafitizácia.

Po vykonanej práci je mikroštruktúra materiáluferit s vločkovitými grafitovými zrnami. Tento typ sa nazýva "black-hearted", pretože prestávka je čierna.

Výroba perlitickej tvárnej liatiny

Ide o druh železo-uhlíkovej zliatiny, ktorá tiež pochádza z podeutektoidnej beloby, ale obsah uhlíka v nej je zvýšený: 3-3,6%. Na získanie odliatkov s perlitovým základom sa vložia do škatúľ a posypú drvenou práškovou železnou rudou alebo šupinami. Samotný postup žíhania je zjednodušený.

1. Teplota kovu sa zvýši na 1 000 ˚C a udržiava sa 60-100 hodín.
2. Návrhy cool s rúrou.

Vplyvom malátnosti pod vplyvom tepla dochádza v kovovom prostredí k difúzii: grafit uvoľnený pri rozpade cementitu čiastočne opúšťa povrchovú vrstvu žíhaných častí a usádza sa na povrchu rudy alebo okoviny. Získa sa mäkšia, tvárnejšia a tvárnejšia horná vrstva tvárnej liatiny s „bielym srdcom“s tvrdým stredom.

Takéto žíhanie sa nazýva neúplné. Zabezpečuje dezintegráciu cementitu a ledeburitu na lamelárny perlit s príslušným grafitom. Ak sa požaduje granulovaná perlitická tvárna liatina s vyššou rázovou húževnatosťou a ťažnosťou, aplikuje sa dodatočný ohrev materiálu až na 720 ˚С. Výsledkom je tvorba perlitových zŕn s vločkovitými grafitovými inklúziami.

Vlastnosti, označenia a aplikácie feritickej tvárnej liatiny

Dlhé „chradnutie“kovu v peci vedie k úplnému rozpadu cementitu a ledeburitu na ferit. Vďakatechnologickými trikmi sa získa zliatina s vysokým obsahom uhlíka - feritická štruktúra charakteristická pre nízkouhlíkové ocele. Samotný uhlík však nikde nezmizne – prechádza zo stavu viazaného na železo do stavu voľného. Vplyv teploty mení tvar grafitových inklúzií na vločkovité.

Ferritická štruktúra spôsobuje zníženie tvrdosti, zvýšenie hodnôt pevnosti, prítomnosť takých charakteristík, ako je rázová húževnatosť a ťažnosť.

Značenie tvárnej liatiny feritickej triedy: KCh30-6, KCh33-8, KCh35-10, KCh37-12, kde:

KCh – označenie odrody – kujné;

30, 33, 35, 37: σ_v, 300, 330, 350, 370 N/mm^{2 – maximálne zaťaženie že vydrží bez toho, aby sa zrútil;}

6, 8, 10, 12 – relatívne predĺženie, δ, % – index ťažnosti (čím vyššia hodnota, tým viac je možné kov spracovať tlakom).

Tvrdosť - približne 100-160 HB.

Tento materiál je z hľadiska výkonu na strednej pozícii medzi oceľou a zliatinou šedej liatiny a uhlíka. Tvárna liatina s feritickým základom je horšia ako perlitická z hľadiska odolnosti proti opotrebeniu, korózie a únavovej pevnosti, ale vyššia z hľadiska mechanickej odolnosti, ťažnosti a odlievacích vlastností. Pre svoju nízku cenu je široko používaný v priemysle na výrobu dielov pracujúcich pri nízkom a strednom zaťažení: ozubené kolesá, kľukové skrine, zadné nápravy, vodovodné potrubia.

Vlastnosti, označenia a aplikácie perlitickej tvárnej liatiny

V dôsledku neúplného žíhania majú primárne, sekundárne cementity a ledeburit čas na úplné rozpustenie v austenite, ktorý sa pri teplote 720 ˚С mení na perlit. Ten je mechanickou zmesou zŕn feritu a terciárneho cementitu. V skutočnosti časť uhlíka zostáva vo viazanej forme, určuje štruktúru a časť sa „uvoľňuje“do vločkovitého grafitu. V tomto prípade môže byť perlit lamelárny alebo granulovaný. Tak vzniká perlitická tvárna liatina. Jeho vlastnosti sú spôsobené nasýtenou, tvrdšou a menej poddajnou štruktúrou.

Tieto majú v porovnaní s feritickými vyššie antikorózne vlastnosti, odolnosť proti opotrebovaniu, ich pevnosť je oveľa vyššia, ale nižšie zlievacie vlastnosti a ťažnosť. Ohybnosť voči mechanickému namáhaniu sa zvyšuje povrchovo pri zachovaní tvrdosti a viskozity jadra produktu.

Značenie temperovanej liatiny perlitická trieda: KCh45-7, KCh50-5, KCh56-4, KCh60-3, KCh65-3, KCh70-2, KCh80-1, 5.

Prvá číslica je označenie sily: 450, 500, 560, 600, 650, 700 a 800 N/mm2.

Po druhé - označenie plasticity: predĺženie δ,% - 7, 5, 4, 3, 3, 2 a 1, 5.

Perlitická kujná liatina sa používa v strojárstve a prístrojovej technike pre konštrukcie pracujúce pri veľkom zaťažení – statické aj dynamické: vačkové hriadele, kľukové hriadele, časti spojky, piesty, ojnice.

Tepelné spracovanie

Materiál získaný tepelným spracovaním, konkrétne žíhaním, je možné opätovne použiťbyť vystavené teplotným vplyvom. Ich hlavným cieľom je ďalej zvyšovať pevnosť, odolnosť proti opotrebovaniu, odolnosť voči korózii a starnutiu.

1. Kalenie sa používa pre konštrukcie vyžadujúce vysokú tvrdosť a húževnatosť; vyrobené zahrievaním na 900 ˚С, sú diely chladené priemernou rýchlosťou asi 100 ˚С/s pomocou strojového oleja. Nasleduje vysoké temperovanie s ohrevom až na 650˚С a chladenie vzduchom.
2. Normalizácia sa používa pre stredne veľké jednoduché diely zahriatím v peci na 900 ˚С, udržiavaním na tejto teplote po dobu 1 až 1,5 hodiny a následným ochladením na vzduchu. Poskytuje troostitový granulovaný perlit, jeho tvrdosť a spoľahlivosť v trení a opotrebovaní. Používa sa na získanie kujnej liatiny s perlitickým základom.
3. Pri výrobe antifrikcie sa žíhanie opakuje: zahrievanie - až 900 ˚С, dlhodobé udržiavanie pri tomto teple, chladenie spolu s pecou. Je poskytnutá feritická alebo feriticko-perlitická štruktúra antifrikčnej tvárnej liatiny.

Ohrev liatinových výrobkov je možné vykonávať lokálne alebo kombinovane. Na lokálne použitie vysokofrekvenčné prúdy alebo acetylénový plameň (kalenie). Pre komplexné - vykurovacie pece. Pri lokálnom ohreve sa vytvrdzuje iba vrchná vrstva, pričom sa zvyšuje jej tvrdosť a pevnosť, ale plasticita a viskozita jadra zostáva zachovaná.

Tu je dôležité upozorniť na to, že kovanie liatiny je nemožné nielen pre nedostatočné mechanickévlastnosti, ale aj pre jeho vysokú citlivosť na prudký pokles teploty, ktorý je nevyhnutný pri kalení vodným chladením.

Kulzné liatiny proti treniu

Táto odroda platí pre kujné aj legované, sú sivé (ASF), kujné (ASC) a vysokopevnostné (ACS). Na výrobu ACHK sa používa tvárna liatina, ktorá sa žíha alebo normalizuje. Procesy sa uskutočňujú s cieľom zvýšiť jeho mechanické vlastnosti a vytvoriť novú charakteristiku - odolnosť proti opotrebovaniu počas trenia s inými časťami.

Označené: AChK-1, AChK-2. Používa sa na výrobu kľukových hriadeľov, ozubených kolies, ložísk.

Vplyv prísad na vlastnosti

Okrem železno-uhlíkovej bázy a grafitu obsahujú aj ďalšie zložky, ktoré tiež určujú vlastnosti liatiny: mangán, kremík, fosfor, síra a niektoré legujúce prvky.

Mangan zvyšuje tekutosť tekutého kovu, odolnosť proti korózii a odolnosť proti opotrebovaniu. Pomáha zvyšovať tvrdosť a pevnosť, spája uhlík so železom v chemickom vzorci Fe_{3C, vytvára zrnitý perlit.}

Kremík má tiež pozitívny vplyv na tekutosť tekutej zliatiny, podporuje rozklad cementitu a uvoľňovanie grafitových inklúzií.

Síra je negatívna, ale nevyhnutná súčasť. Znižuje mechanické a chemické vlastnosti, stimuluje tvorbu trhlín. Racionálny pomer jeho obsahu s inými prvkami (napríklad s mangánom) však umožňujesprávne mikroštrukturálne procesy. Takže pri pomere Mn-S 0,8-1,2 je perlit zachovaný v každom čase teplotných vplyvov. Keď sa pomer zvýši na 3, bude možné získať akúkoľvek potrebnú štruktúru v závislosti od špecifikovaných parametrov.

Fosfor mení tekutosť k lepšiemu, ovplyvňuje pevnosť, znižuje rázovú pevnosť a ťažnosť, ovplyvňuje trvanie grafitizácie.

Chróm a molybdén bránia tvorbe grafitových vločiek, v niektorých obsahoch prispievajú k tvorbe granulovaného perlitu.

Volfrám zlepšuje odolnosť proti opotrebovaniu v oblastiach s vysokou teplotou.

Hliník, nikel, meď prispievajú ku grafitizácii.

Úpravou množstva chemických prvkov, ktoré tvoria zliatinu železo-uhlík, ako aj ich pomeru, je možné ovplyvniť výsledné vlastnosti liatiny.

Výhody a nevýhody

Tvárna liatina je materiál, ktorý je široko používaný v strojárstve. Jeho hlavné výhody:

• vysoká tvrdosť, odolnosť proti opotrebeniu, pevnosť spolu s tekutosťou;
• normálna húževnatosť a charakteristiky ťažnosti;
• vyrobiteľnosť pri tvárnení, na rozdiel od sivej liatiny;
• rôzne možnosti korekcie vlastností konkrétneho dielu metódami tepelného a chemicko-tepelného spracovania;
• nízke náklady.

Nevýhody zahŕňajú individuálne vlastnosti:

• krehkosť;
• prítomnosť grafitových inklúzií;
• slabý rezný výkon;
• značná hmotnosť odliatkov.

Napriek existujúcim nedostatkom zaujíma tvárna liatina zodpovedné miesto v metalurgii a strojárstve. Vyrábajú sa z neho také dôležité časti, ako sú kľukové hriadele, časti brzdových doštičiek, ozubené kolesá, piesty, ojnice. Tvárna liatina, ktorá má zanedbateľnú rozmanitosť akostí, zaberá v tomto odvetví individuálnu medzeru. Jeho použitie je typické pre tie záťaže, pri ktorých je použitie iných materiálov nepravdepodobné.