Μάθετε για τον γραφίτη στον χυτοσίδηρο

Ως ένα είδος μηχανολογικού υλικού με μακρά ιστορία και ευρεία εφαρμογή, η απόδοση του χυτοσίδηρου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη μορφή γραφίτη στο εσωτερικό του. Ο γραφίτης είναι σαν δίκοπο μαχαίρι στον χυτοσίδηρο. Όχι μόνο προσδίδει στον χυτοσίδηρο μοναδικές ιδιότητες, αλλά έχει επίσης πολύπλοκη επίδραση στις ιδιότητές του.

Τι είναι ο γραφίτης στον χυτοσίδηρο;

Γραφίτης είναι ένα αλλότροπο του άνθρακα που υπάρχει ως ανεξάρτητη φάση στον χυτοσίδηρο. Ο χυτοσίδηρος είναι κράμα σιδήρου-άνθρακα με περιεκτικότητα σε άνθρακα μεγαλύτερη από 2,11% (γενικά 2,5-4,0%). Και κατά τη διαδικασία στερεοποίησής του, το στοιχείο του άνθρακα θα κατακρημνιστεί με τη μορφή γραφίτη. Η μορφή, το μέγεθος και η κατανομή του γραφίτη στον χυτοσίδηρο παίζουν καθοριστικό ρόλο στην απόδοση του χυτοσίδηρου.

Επισκόπηση γραφίτη σε χυτοσίδηρο

Βασικές ιδιότητες του γραφίτη

Ο γραφίτης έχει μια τυπική στρωματοποιημένη κρυσταλλική δομή με ασθενείς δυνάμεις van der Waals που συνδέουν τα στρώματα μεταξύ τους. Αυτή η δομή προσδίδει στον γραφίτη πολλές μοναδικές ιδιότητες. Η υφή του είναι μαλακή, η σκληρότητα Mohs είναι μόνο 1-2 και υπάρχει μια αίσθηση ομαλότητας. Ο γραφίτης έχει καλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα και η ηλεκτρική του αγωγιμότητα είναι χαμηλότερη από εκείνη των γενικών μεταλλικών υλικών. Είναι όμως εξαιρετικός αγωγός σε μη μεταλλικά υλικά. Επιπλέον, οι χημικές ιδιότητες του γραφίτη είναι σταθερές. Και δεν είναι εύκολο να αντιδράσει χημικά με άλλες ουσίες σε θερμοκρασία δωματίου και έχει καλή αντοχή στη διάβρωση.

Σημασία του γραφίτη στον χυτοσίδηρο

Ο γραφίτης παίζει βασικό ρόλο στον χυτοσίδηρο. Από την άποψη των μηχανικών ιδιοτήτων, η παρουσία γραφίτη είναι παρόμοια με το σχηματισμό μεγάλου αριθμού μικροσκοπικών "πηγών ρωγμών" στη μεταλλική μήτρα. Αυτό θα μειώσει την αντοχή και την ανθεκτικότητα του χυτοσίδηρου. Ωστόσο, ο γραφίτης προσδίδει επίσης στον χυτοσίδηρο ορισμένες ειδικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, η λιπαντική δράση του γραφίτη κάνει τον χυτοσίδηρο να έχει καλή αντίσταση κατά της τριβής και της φθοράς. Έχει μεγάλη σημασία στην κατασκευή εξαρτημάτων όπως τα έδρανα πλάκας και οι οδηγοί εργαλειομηχανών. Η θερμική αγωγιμότητα του γραφίτη βοηθά τον χυτοσίδηρο να διαχέει ομοιόμορφα τη θερμότητα κατά τη διαδικασία θέρμανσης και να βελτιώνει τη θερμική του σταθερότητα. Επιπλέον, η παρουσία γραφίτη μπορεί επίσης να κάνει τον χυτοσίδηρο να αποκτήσει καλές ιδιότητες χύτευσης. Όπως η μείωση της επιφανειακής τάσης του υγρού σιδήρου, βελτιώνοντας τη ρευστότητά του. Αυτό ευνοεί την χύτευση σύνθετων μορφοποιημένων εξαρτημάτων.

Διαφορετικοί τύποι γραφίτη σε χυτοσίδηρο

Χυτοσίδηρος με σφαιροειδή γραφίτη (χυτοσίδηρος με κοκκώδη γραφίτη)

Ο χυτοσίδηρος με σφαιροειδή γραφίτη και ο χυτοσίδηρος με σφαιροειδή γραφίτη αναφέρονται στο ίδιο υλικό. Και δεν υπάρχει καμία ουσιαστική διαφορά μεταξύ των δύο, μόνο στην ονομασία της διαφοράς.

Μηχανισμός σχηματισμού σφαιρικού γραφίτη

Η προσθήκη οζώδους παράγοντα (όπως μαγνήσιο, σπάνιες γαίες κ.λπ.) και εμβολιαστικού στο υγρό σίδηρο είναι το κλειδί. Ο σφαιροποιητικός παράγοντας μειώνει την επιφανειακή τάση του άνθρακα στον υγρό σίδηρο και κάνει τον γραφίτη να αναπτύσσεται σφαιρικά. Το εμβολιαστικό αυξάνει τον αριθμό των πυρήνων του γραφίτη, εξευγενίζει και ομογενοποιεί τις σφαίρες γραφίτη. Και στερεοποίησε τον υγρό σίδηρο σε σφαιρικό γραφίτη σε κατάλληλη θερμοκρασία.

Ιδιότητες του σφαιροειδούς χυτοσίδηρου

Εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, αντοχή σε εφελκυσμό άνω των 400MPa-1000MPa, πολύ πέρα από τον φαιό χυτοσίδηρο. Επιμήκυνση περίπου 2%-20%, ανθεκτικότητα, καλή ολκιμότητα, μπορεί να αντέξει κρούση και παραμόρφωση, μπορεί να αντικαταστήσει εν μέρει τον χυτοσίδηρο. Εξαιρετική αντοχή στη φθορά, έχει υψηλή αντοχή στην κόπωση, καλή αντοχή.

Μικροδομή σφαιρικού χυτοσίδηρου

Αποτελείται από σφαιρικό γραφίτη ομοιόμορφα κατανεμημένο σε μεταλλική μήτρα (φερρίτη, περλίτη ή μικτή δομή). Η ανθεκτικότητα και η πλαστικότητα της μήτρας φερρίτη είναι καλές. Η περλιτική μήτρα έχει υψηλή αντοχή και σκληρότητα. Τα μικρά και ομοιόμορφα κατανεμημένα σφαιρίδια γραφίτη μπορούν να βελτιώσουν τις συνολικές ιδιότητες του υλικού.

Σίδηρος Sg vs χυτοσίδηρος

Σε σύγκριση με τον φαιό χυτοσίδηρο, οι μηχανικές ιδιότητες βελτιώνονται σημαντικά. Ο γραφίτης του γκρίζου χυτοσίδηρου κόβει σοβαρά τη μήτρα, με αποτέλεσμα χαμηλή αντοχή και ανθεκτικότητα. Ο σφαιροειδής γραφίτης του κοκκώδους χυτοσίδηρου έχει μικρή διάσπαση της μήτρας. Αν και ο οζώδης χυτοσίδηρος χρειάζεται ακριβέστερο έλεγχο της σφαιροποίησης και της επεξεργασίας εμβολιασμού, έχει καλή ρευστότητα και πλήρωση. Μπορεί να ανταποκριθεί στην παραγωγή σύνθετων χυτών προϊόντων. Στην εφαρμογή, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε συνηθισμένο χυτοσίδηρο για απαιτήσεις αντοχής και ανθεκτικότητας που δεν είναι υψηλές, όπως η κλίνη εργαλειομηχανών. Ο σίδηρος Sg χρησιμοποιείται για την κατασκευή βασικών εξαρτημάτων στην αυτοκινητοβιομηχανία, τα μηχανήματα, την αεροδιαστημική και άλλους τομείς.

Γκρίζος χυτοσίδηρος

Μικροδομή του φαιού χυτοσιδήρου

Αποτελείται από νιφάδες γραφίτη και μεταλλική μήτρα (φερρίτη, περλίτη ή μικτή δομή), οι νιφάδες γραφίτη αποδυναμώνουν τη συνέχεια της μήτρας, με αποτέλεσμα κακές μηχανικές ιδιότητες.

Νιφάδες γραφίτη σε γκρι χυτοσίδηρο

Το σχήμα είναι ακανόνιστο, σε νιφάδες ή λωρίδες. Το μέγεθος, η ποσότητα και η κατανομή του επηρεάζουν την απόδοση. Οι μεγάλες νιφάδες γραφίτη μειώνουν την αντοχή και την ανθεκτικότητα, ενώ η λεπτή και ομοιόμορφη κατανομή μπορεί να βελτιώσει τις επιδόσεις. Νιφάδες γραφίτη προσδίδει στον φαιό χυτοσίδηρο καλή απορρόφηση κραδασμών. Είναι κατάλληλο για την κατασκευή κλίνης εργαλειομηχανών, μπλοκ κυλίνδρων κινητήρα και άλλων εξαρτημάτων που χρειάζονται απορρόφηση κραδασμών.

Μέγεθος νιφάδας γραφίτη σε χυτοσίδηρο

Μετρούμενο με βάση το μήκος και το πάχος, το μήκος είναι δεκάδες έως εκατοντάδες μικρόμετρα και το πάχος είναι αρκετά έως δεκάδες μικρόμετρα. Το μέγεθος επηρεάζεται από τη διαδικασία χύτευσης και τη χημική σύνθεση. Το υψηλό ισοδύναμο άνθρακα και η αργή ταχύτητα ψύξης κάνουν το φύλλο γραφίτη να μεγαλώνει και η προσθήκη κραματικών στοιχείων (όπως πυρίτιο και μαγγάνιο) μπορεί να βελτιωθεί.

Συμπιεσμένος χυτοσίδηρος γραφίτη

Μηχανισμός σχηματισμού σκουληκόμορφου γραφίτη

Είναι απαραίτητο να ελέγχεται αυστηρά η σύνθεση του υγρού σιδήρου και η διαδικασία επεξεργασίας. Προσθέστε την κατάλληλη ποσότητα βερμικουλωτή (σύμπλοκο μαγνησίου, σπάνιων γαιών και άλλων στοιχείων) και προετοιμάστε το με εμβολιασμό. Ο βερμικουλιωτής κάνει τον γραφίτη να αναπτυχθεί σε βερμικουρικό σχήμα με λείο άκρο. Ενεργώντας μεταξύ ενός κονδυλοποιητή και καμίας επεξεργασίας και σχηματίζοντας έναν βερμοειδή γραφίτη υπό κατάλληλες συνθήκες στερεοποίησης.

Ιδιότητες χυτοσιδήρου από συμπυκνωμένο γραφίτη

Απόδοση μεταξύ όλκιμου σιδήρου και φαιού σιδήρου. Αντοχή σε εφελκυσμό 300MPa-500MPa, υψηλότερη από τον φαιό χυτοσίδηρο. Η ανθεκτικότητα και η ολκιμότητα είναι καλύτερες από τον φαιό χυτοσίδηρο, αλλά ελαφρώς χειρότερες από τον οζώδη χυτοσίδηρο. Καλή θερμική αγωγιμότητα, κοντά στο γκρι χυτοσίδηρο, αντοχή στη φθορά και αντίσταση στη θερμική κόπωση, μπορεί να λειτουργήσει υπό υψηλή θερμοκρασία, εναλλασσόμενο φορτίο.

Μικροδομή του χυτοσιδήρου από συμπυκνωμένο γραφίτη

Αποτελείται από σκουληκόμορφο γραφίτη ομοιόμορφα κατανεμημένο σε μεταλλική μήτρα (φερρίτη, περλίτη ή μικτή δομή). Το μέγεθος, η ποσότητα και η κατανομή του συμπιεσμένου γραφίτη επηρεάζουν τις ιδιότητες του υλικού και ελέγχουν εύλογα τη διαθεσιμότητα του χυτοσιδήρου με λεπτό συμπιεσμένο γραφίτη.

Ανάλυση μικροδομής χυτοσιδήρου

Αναλυτικές μέθοδοι

Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για τη μελέτη της μικροδομής του χυτοσίδηρου. Συνήθως χρησιμοποιείται μεταλλογραφικό μικροσκόπιο. Μετά τη στίλβωση και τη διάβρωση δειγμάτων χυτοσίδηρου, μπορείτε να παρατηρήσετε τη μορφολογία του γραφίτη, το μέγεθος, την κατανομή και τα χαρακτηριστικά της δομής της μεταλλικής μήτρας. Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) έχει υψηλότερη ανάλυση και μπορεί να δει λεπτές δομές, όπως η διεπιφάνεια μεταξύ γραφίτη και μήτρας. Η μικροανάλυση με ηλεκτρονικό ανιχνευτή (EPMA) μπορεί να αναλύσει ποσοτικά τα στοιχεία του χυτοσίδηρου και να προσδιορίσει τη χημική σύνθεση των διαφόρων φάσεων. Και μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την περίθλαση ακτίνων-χ (XRD) για να αναλύσετε την κρυσταλλική δομή κάθε φάσης.

Σχέση μεταξύ μικροδομής και ιδιοτήτων

Η μικροδομή του χυτοσιδήρου καθορίζει άμεσα την απόδοσή του. Η μορφολογία, το μέγεθος και η κατανομή του γραφίτη επηρεάζουν σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες. Ο σφαιροειδής γραφίτης έχει τη μικρότερη επίδραση στη διάσπαση της μήτρας και η αντοχή και η ανθεκτικότητα είναι υψηλότερες. Ο λεπιοειδής γραφίτης του φαιού χυτοσίδηρου μειώνει την αντοχή και την ανθεκτικότητα, αλλά έχει καλή απορρόφηση κραδασμών. Ο συμπιεσμένος γραφίτης καθιστά τον βερμικιλώδη χυτοσίδηρο κάτι ενδιάμεσο. Η δομή της μεταλλικής μήτρας είναι επίσης πολύ σημαντική, η ανθεκτικότητα του χυτοσίδηρου με μήτρα φερρίτη είναι καλή. Και η αντοχή και η σκληρότητα της μαργαριταρένιας μήτρας είναι υψηλές. Με τη ρύθμιση της χύτευση διαδικασία και τη χημική σύνθεση για τον έλεγχο της μικροδομής, τα υλικά από χυτοσίδηρο μπορούν να ληφθούν για να ικανοποιήσουν τις διαφορετικές απαιτήσεις απόδοσης.

Συμπέρασμα

Ο γραφίτης στον χυτοσίδηρο έχει διάφορες μορφές και οι διάφορες μορφές προσδίδουν διαφορετικές ιδιότητες στον χυτοσίδηρο. Μελετώντας τη μικροδομή του χυτοσίδηρου με διάφορες αναλυτικές μεθόδους, μπορούμε να αποσαφηνίσουμε τη σχέση μεταξύ μικροδομής και ιδιοτήτων. Στο μέλλον, με την ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας των υλικών, η έρευνα σχετικά με τον γραφίτη στον χυτοσίδηρο θα είναι πιο εμπεριστατωμένη. Και αναμένεται να αναπτυχθούν υλικά από χυτοσίδηρο με καλύτερες επιδόσεις και ευρύτερη εφαρμογή.