Τύποι χυτοσιδήρου, ταξινόμηση, σύνθεση, ιδιότητες, σήμανση και εφαρμογή

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Σήμερα δεν υπάρχει σχεδόν κανένας τομέας της ανθρώπινης ζωής όπου δεν χρησιμοποιείται χυτοσίδηρος. Αυτό το υλικό είναι γνωστό στην ανθρωπότητα εδώ και πολύ καιρό και έχει αποδειχθεί άριστα από πρακτική άποψη. Ο χυτοσίδηρος είναι η βάση μιας μεγάλης ποικιλίας εξαρτημάτων, συγκροτημάτων και μηχανισμών, και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη και ένα αυτάρκης προϊόν ικανό να εκτελεί τις λειτουργίες που του έχουν ανατεθεί. Επομένως, σε αυτό το άρθρο θα δώσουμε μεγάλη προσοχή σε αυτήν την ένωση που περιέχει σίδηρο. Θα μάθουμε επίσης ποιοι είναι οι τύποι χυτοσιδήρου, τα φυσικά και χημικά τους χαρακτηριστικά.

Ορισμός

Ο χυτοσίδηρος είναι ένα πραγματικά μοναδικό κράμα σιδήρου και άνθρακα, στο οποίο ο Fe είναι περισσότερο από 90%, και ο C δεν είναι περισσότερο από 6,67%, αλλά όχι λιγότερο από 2,14%. Επίσης, ο άνθρακας μπορεί να βρεθεί στον χυτοσίδηρο με τη μορφή τσιμενίτη ή γραφίτη.

Ο άνθρακας δίνει στο κράμα αρκετά υψηλή σκληρότητα, ωστόσο, ταυτόχρονα, μειώνει την ελασιμότητα και την ολκιμότητα. Ως αποτέλεσμα, ο χυτοσίδηρος είναι ένα εύθραυστο υλικό. Επίσης, ειδικά πρόσθετα προστίθενται σε ορισμένες ποιότητες χυτοσιδήρου, που μπορούν να δώσουν στην ένωση ορισμένες ιδιότητες. Ο ρόλος των στοιχείων κράματος μπορεί να είναι: νικέλιο, χρώμιο, βανάδιο, αλουμίνιο. Ο δείκτης πυκνότητας του χυτοσιδήρου είναι 7200 κιλά ανά κυβικό μέτρο. Από το οποίο συνάγεται το συμπέρασμα ότιτο βάρος του χυτοσιδήρου είναι ένας δείκτης που δεν μπορεί να χαρακτηριστεί μικρός.

Ιστορικό υπόβαθρο

Ο σίδηρος τήξης είναι γνωστός από καιρό στον άνθρωπο. Η πρώτη αναφορά του κράματος χρονολογείται από τον έκτο αιώνα π. Χ.

Στην αρχαιότητα, η Κίνα παρήγαγε χυτοσίδηρο με αρκετά χαμηλό σημείο τήξης. Ο χυτοσίδηρος άρχισε να παράγεται στην Ευρώπη γύρω στον 14ο αιώνα, όταν χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά οι υψικάμινοι. Εκείνη την εποχή, τέτοια χύτευση σιδήρου χρησιμοποιούνταν για την παραγωγή όπλων, οβίδων, εξαρτημάτων κατασκευής.

Στη Ρωσία, η παραγωγή χυτοσιδήρου ξεκίνησε ενεργά τον 16ο αιώνα και στη συνέχεια επεκτάθηκε γρήγορα. Την εποχή του Πέτρου Α, η Ρωσική Αυτοκρατορία μπόρεσε να παρακάμψει όλες τις χώρες του κόσμου όσον αφορά την παραγωγή σιδήρου, αλλά εκατό χρόνια αργότερα άρχισε να χάνει ξανά έδαφος στην αγορά της σιδηρούχου μεταλλουργίας.

Ο χυτοσίδηρος χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ποικίλων έργων τέχνης από τον Μεσαίωνα. Συγκεκριμένα, τον 10ο αιώνα, οι Κινέζοι δάσκαλοι έριξαν μια πραγματικά μοναδική φιγούρα λιονταριού, το βάρος του οποίου ξεπερνούσε τους 100 τόνους. Ξεκινώντας από τον 15ο αιώνα στη Γερμανία, και μετά σε άλλες χώρες, η χυτοσίδηρος έγινε ευρέως διαδεδομένη. Από αυτό κατασκευάστηκαν φράχτες, πλέγματα, γλυπτά πάρκων, έπιπλα κήπου, επιτύμβιες στήλες.

Τα τελευταία χρόνια του 18ου αιώνα, η χύτευση σιδήρου ασχολήθηκε περισσότερο με την αρχιτεκτονική της Ρωσίας. Και ο 19ος αιώνας ονομαζόταν γενικά «εποχή του χυτοσιδήρου», αφού το κράμα χρησιμοποιήθηκε πολύ ενεργά στην αρχιτεκτονική.

Λειτουργίες

Υπάρχουν διαφορετικοί τύποιχυτοσίδηρος, ωστόσο, το μέσο σημείο τήξης αυτής της μεταλλικής ένωσης είναι περίπου 1200 βαθμοί Κελσίου. Αυτός ο αριθμός είναι 250-300 μοίρες λιγότερο από ό,τι απαιτείται για τη χαλυβουργία. Αυτή η διαφορά σχετίζεται με μια μάλλον υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα, η οποία οδηγεί σε λιγότερο στενούς δεσμούς με άτομα σιδήρου σε μοριακό επίπεδο.

Κατά τη στιγμή της τήξης και της επακόλουθης κρυστάλλωσης, ο άνθρακας που περιέχεται στον χυτοσίδηρο δεν έχει χρόνο να διεισδύσει πλήρως στο μοριακό πλέγμα του σιδήρου και επομένως ο χυτοσίδηρος τελικά αποδεικνύεται αρκετά εύθραυστος. Από αυτή την άποψη, δεν χρησιμοποιείται όπου υπάρχουν σταθερά δυναμικά φορτία. Ταυτόχρονα όμως είναι εξαιρετικό για εκείνα τα μέρη που έχουν αυξημένες απαιτήσεις αντοχής.

Τεχνολογία παραγωγής

Απολύτως όλοι οι τύποι χυτοσιδήρου παράγονται σε υψικάμινο. Στην πραγματικότητα, η ίδια η διαδικασία τήξης είναι μια αρκετά επίπονη δραστηριότητα που απαιτεί σοβαρές υλικές επενδύσεις. Ένας τόνος χυτοσιδήρου απαιτεί περίπου 550 κιλά οπτάνθρακα και σχεδόν έναν τόνο νερό. Ο όγκος του μεταλλεύματος που φορτώνεται στον κλίβανο θα εξαρτηθεί από την περιεκτικότητα σε σίδηρο. Τις περισσότερες φορές χρησιμοποιείται μετάλλευμα, στο οποίο ο σίδηρος είναι τουλάχιστον 70%. Μια χαμηλότερη συγκέντρωση του στοιχείου δεν είναι επιθυμητή, καθώς θα ήταν αντιοικονομική η χρήση του.

Πρώτο στάδιο παραγωγής

Ο σίδηρος τήξης έχει ως εξής. Πρώτα απ 'όλα, το μετάλλευμα χύνεται στον κλίβανο, καθώς και οι ποιότητες άνθρακα οπτανθρακοποίησης, οι οποίες χρησιμεύουν για την πίεση και τη διατήρηση της απαιτούμενης θερμοκρασίας μέσα στον άξονα του κλιβάνου. Επιπλέον, αυτά τα προϊόντα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας καύσης συμμετέχουν ενεργά στις συνεχιζόμενες χημικές αντιδράσεις στορόλος των παραγόντων μείωσης του σιδήρου.

Ταυτόχρονα, μια ροή φορτώνεται στον κλίβανο, η οποία χρησιμεύει ως καταλύτης. Βοηθά τα πετρώματα να λιώσουν πιο γρήγορα, γεγονός που προάγει την απελευθέρωση σιδήρου.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το μετάλλευμα υφίσταται ειδική προεπεξεργασία πριν φορτωθεί στον κλίβανο. Θρυμματίζεται σε θρυμματιστή (τα μικρά σωματίδια λιώνουν πιο γρήγορα). Στη συνέχεια πλένεται για να αφαιρεθούν σωματίδια χωρίς μέταλλα. Μετά από αυτό, η πρώτη ύλη πυροδοτείται, λόγω αυτού, αφαιρείται θείο και άλλα ξένα στοιχεία από αυτήν.

Δεύτερο στάδιο παραγωγής

Φυσικό αέριο παρέχεται στον κλίβανο φορτωμένο και έτοιμο για λειτουργία μέσω ειδικών καυστήρων. Το κοκ θερμαίνει την πρώτη ύλη. Σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώνεται άνθρακας, ο οποίος ενώνεται με το οξυγόνο και σχηματίζει ένα οξείδιο. Αυτό το οξείδιο συμμετέχει στη συνέχεια στην ανάκτηση του σιδήρου από το μετάλλευμα. Σημειώστε ότι με την αύξηση της ποσότητας αερίου στον κλίβανο, ο ρυθμός της χημικής αντίδρασης μειώνεται και όταν επιτευχθεί μια ορισμένη αναλογία, σταματάει εντελώς.

Η περίσσεια άνθρακα διεισδύει στο τήγμα και ενώνεται με το σίδερο, σχηματίζοντας τελικά χυτοσίδηρο. Όλα εκείνα τα στοιχεία που δεν έχουν λιώσει βρίσκονται στην επιφάνεια και τελικά αφαιρούνται. Αυτά τα απόβλητα ονομάζονται σκωρία. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή άλλων υλικών. Οι τύποι χυτοσιδήρου που λαμβάνονται με αυτόν τον τρόπο ονομάζονται χυτήριο και χυτοσίδηρος.

Διαφοροποίηση

Η σύγχρονη ταξινόμηση των χυτοσιδήρων προβλέπει τη διαίρεση αυτών των κραμάτων στους ακόλουθους τύπους:

• Λευκό.
• Μισό.
• Γκρι με νιφάδες γραφίτη.
• Οζώδης γραφίτης υψηλής αντοχής.
• όλκιμο.

Ας δούμε το καθένα ξεχωριστά.

Λευκός μαντέμι

Αυτός ο χυτοσίδηρος είναι αυτός στον οποίο σχεδόν όλος ο άνθρακας είναι χημικά συνδεδεμένος. Στη μηχανολογία, αυτό το κράμα δεν χρησιμοποιείται πολύ συχνά, επειδή είναι σκληρό, αλλά πολύ εύθραυστο. Επίσης, δεν μπορεί να κατεργαστεί με διάφορα εργαλεία κοπής, και ως εκ τούτου χρησιμοποιείται για χύτευση εξαρτημάτων που δεν απαιτούν καμία επεξεργασία. Αν και αυτός ο τύπος χυτοσιδήρου επιτρέπει την λείανση με λειαντικούς τροχούς. Ο λευκός χυτοσίδηρος μπορεί να είναι τόσο συνηθισμένος όσο και κράμα. Ταυτόχρονα, η συγκόλληση προκαλεί δυσκολίες, καθώς συνοδεύεται από το σχηματισμό διαφόρων ρωγμών κατά την ψύξη ή τη θέρμανση, αλλά και λόγω της ετερογένειας της δομής που σχηματίζεται στο σημείο της συγκόλλησης.

Οι λευκοί χυτοσίδηροι, ανθεκτικοί στη φθορά, λαμβάνονται με πρωτογενή κρυστάλλωση ενός υγρού κράματος κατά τη διάρκεια ταχείας ψύξης. Χρησιμοποιούνται πιο συχνά για εφαρμογές ξηρής τριβής (π.χ. τακάκια φρένων) ή για την παραγωγή εξαρτημάτων με αυξημένη αντοχή στη φθορά και τη θερμότητα (ρολά έλασης).

Παρεμπιπτόντως, ο λευκός χυτοσίδηρος πήρε το όνομά του λόγω του γεγονότος ότι η εμφάνιση του σπασίματός του είναι μια ελαφρώς κρυσταλλική, ακτινοβόλο επιφάνεια. Η δομή αυτού του χυτοσιδήρου είναι ένας συνδυασμός λεδεβουρίτη, περλίτη και δευτερογενούς τσιμενίτη. Εάν αυτός ο χυτοσίδηρος είναι κράμα, τότε ο περλίτης μετατρέπεται σετρωστίτης, ωστενίτης ή μαρτενσίτης.

Μισός χυτοσίδηρος

Η ταξινόμηση των χυτοσιδήρων θα ήταν ελλιπής χωρίς να αναφερθεί αυτή η ποικιλία κράματος μετάλλων.

Αυτός ο χυτοσίδηρος χαρακτηρίζεται από έναν συνδυασμό ευτηκτικής καρβιδίου και γραφίτη στη δομή του. Γενικά, η πλήρης δομή έχει την ακόλουθη μορφή: γραφίτης, περλίτης, λεδεμπουρίτης. Εάν ο χυτοσίδηρος υποβληθεί σε θερμική επεξεργασία ή κράμα, αυτό θα οδηγήσει στον σχηματισμό ωστενίτη, μαρτενσίτη ή βελονοειδή τρωστίτη.

Αυτό το είδος χυτοσιδήρου είναι αρκετά εύθραυστο, επομένως η χρήση του είναι πολύ περιορισμένη. Το ίδιο το κράμα πήρε το όνομά του επειδή το κάταγμά του είναι ένας συνδυασμός σκοτεινών και φωτεινών περιοχών της κρυσταλλικής δομής.

Το πιο κοινό τεχνικό υλικό

Ο γκρίζος χυτοσίδηρος GOST 1412-85 περιέχει περίπου 3,5% άνθρακα, από 1,9 έως 2,5% πυρίτιο, έως 0,8% μαγγάνιο, έως 0,3% φώσφορο και λιγότερο από 0, 12% θείο.

Ο γραφίτης σε τέτοιο χυτοσίδηρο έχει ελασματοειδές σχήμα. Δεν απαιτεί ειδική τροποποίηση.

Οι πλάκες γραφίτη έχουν ισχυρή αποδυνάμωση και επομένως ο γκρίζος χυτοσίδηρος χαρακτηρίζεται από πολύ χαμηλή αντοχή στην κρούση και σχεδόν πλήρη απουσία επιμήκυνσης (λιγότερο από 0,5%).

Ο γκρίζος χυτοσίδηρος είναι καλά επεξεργασμένος. Η δομή του κράματος μπορεί να είναι η εξής:

• Φερρίτης-γραφίτης.
• Φερρίτης-περλίτης-γραφίτης.
• Περλίτης-γραφίτης.

Ο γκρίζος χυτοσίδηρος λειτουργεί πολύ καλύτερα στη συμπίεση παρά στην τάση. Αυτος επισηςσυγκολλάται αρκετά καλά, αλλά αυτό απαιτεί προθέρμανση και ως υλικό πλήρωσης πρέπει να χρησιμοποιούνται ειδικές ράβδοι από χυτοσίδηρο με υψηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο και άνθρακα. Χωρίς προθέρμανση, η συγκόλληση θα είναι δύσκολη επειδή ο χυτοσίδηρος θα λευκάνει στην περιοχή συγκόλλησης.

Ο γκρίζος χυτοσίδηρος χρησιμοποιείται για την παραγωγή εξαρτημάτων που λειτουργούν χωρίς φόρτιση κραδασμών (τροχαλίες, καλύμματα, κρεβάτια).

Η ονομασία αυτού του χυτοσιδήρου γίνεται σύμφωνα με την ακόλουθη αρχή: SCH 25-52. Δύο γράμματα υποδεικνύουν ότι πρόκειται για γκρίζο χυτοσίδηρο, ο αριθμός 25 είναι δείκτης της αντοχής σε εφελκυσμό (σε MPa ή kgf / mm 2), ο αριθμός 52 είναι η αντοχή εφελκυσμού αυτή τη στιγμή κάμψης.

όλκιμο σίδερο

Ο οζώδης χυτοσίδηρος είναι θεμελιωδώς διαφορετικός από τους άλλους "αδερφούς" του στο ότι περιέχει οζώδη γραφίτη. Λαμβάνεται με την εισαγωγή ειδικών τροποποιητών (Mg, Ce) στο υγρό κράμα. Ο αριθμός των εγκλεισμάτων γραφίτη και οι γραμμικές τους διαστάσεις μπορεί να είναι διαφορετικοί.

Τι είναι καλό για τον σφαιροειδή γραφίτη; Το γεγονός ότι μια τέτοια μορφή αποδυναμώνει ελάχιστα τη μεταλλική βάση, η οποία, με τη σειρά της, μπορεί να είναι περλιτική, φερριτική ή περλιτική-φερριτική.

Λόγω της χρήσης θερμικής επεξεργασίας ή κράματος, η βάση από χυτοσίδηρο μπορεί να είναι βελονοειδής-τροοστίτης, μαρτενσιτική, ωστενιτική.

Οι ποιότητες όλκιμου σιδήρου είναι διαφορετικές, αλλά σε γενικές γραμμές, η ονομασία του είναι η εξής: VCh 40-5. Είναι εύκολο να μαντέψει κανείς ότι το HF είναι χυτοσίδηρος υψηλής αντοχής, ο αριθμός 40 είναι ένας δείκτηςαντοχή σε εφελκυσμό (kgf/mm2), ο αριθμός 5 είναι σε σχέση με την επιμήκυνση, εκφρασμένος ως ποσοστό.

όλκιμο σίδερο

Η δομή του όλκιμου σιδήρου είναι η παρουσία γραφίτη σε αυτόν σε νιφάδα ή σφαιρική μορφή. Ταυτόχρονα, ο νιφοειδής γραφίτης μπορεί να έχει διαφορετική λεπτότητα και συμπαγή, γεγονός που με τη σειρά του έχει άμεσο αντίκτυπο στις μηχανικές ιδιότητες του χυτοσιδήρου.

Ο βιομηχανικός όλκιμος σίδηρος παράγεται συχνά με φερριτική βάση, η οποία παρέχει μεγαλύτερη ολκιμότητα.

Η εμφάνιση κατάγματος του φερριτικού όλκιμου σιδήρου έχει μαύρη βελούδινη εμφάνιση. Όσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα περλίτη στη δομή, τόσο πιο ελαφρύ θα γίνει το κάταγμα.

Γενικά, ο όλκιμος σίδηρος λαμβάνεται από λευκά χυτά σιδήρου λόγω μακράς μαρασμού σε φούρνους που θερμαίνονται σε θερμοκρασία 800-950 βαθμών Κελσίου.

Σήμερα, υπάρχουν δύο τρόποι για να φτιάξετε όλκιμο σίδηρο: ευρωπαϊκό και αμερικανικό.

Η αμερικανική μέθοδος είναι να μαραίνουμε το κράμα σε άμμο σε θερμοκρασία 800-850 βαθμών. Σε αυτή τη διαδικασία, ο γραφίτης βρίσκεται ανάμεσα σε κόκκους του πιο καθαρού σιδήρου. Ως αποτέλεσμα, ο χυτοσίδηρος γίνεται παχύρρευστος.

Στην ευρωπαϊκή μέθοδο, τα χυτά μαραζώνουν στο σιδηρομετάλλευμα. Η θερμοκρασία την ίδια στιγμή είναι περίπου 850-950 βαθμοί Κελσίου. Ο άνθρακας περνά στο σιδηρομετάλλευμα, λόγω του οποίου το επιφανειακό στρώμα των χυτών αποανθρακώνεται και γίνεται μαλακό. Ο χυτοσίδηρος γίνεται ελατός, ενώ ο πυρήνας παραμένει εύθραυστος.

Σήμανση ελατού σιδήρου: KCh 40-6, όπου KCh είναι, φυσικά, ελατός σίδηρος. 40 - δείκτης αντοχής σε εφελκυσμό.6 – επιμήκυνση, %.

Άλλοι δείκτες

Όσον αφορά τη διαίρεση των χυτοσιδήρων κατά αντοχή, εδώ εφαρμόζεται η ακόλουθη ταξινόμηση:

• Τυπική αντοχή: σv έως 20 kg/mm2.
• Αυξημένη αντοχή: σv=20 - 38 kg/mm2.
• Υψηλή αντοχή: σv=40 kg/mm2 και άνω.

Σύμφωνα με την ολκιμότητα, οι χυτοσίδηροι χωρίζονται σε:

• Inflexible - λιγότερο από 1% επιμήκυνση.
• Χαμηλό πλαστικό - από 1% έως 5%.
• Πλαστικό - από 5% έως 10%.
• Αυξημένη πλαστικότητα - περισσότερο από 10%.

Συμπερασματικά, θα ήθελα επίσης να σημειώσω ότι οι ιδιότητες οποιουδήποτε χυτοσιδήρου επηρεάζονται αρκετά σημαντικά ακόμη και από το σχήμα και τη φύση της έκχυσης.