Informazioni sulla grafite nella ghisa

Essendo un tipo di materiale ingegneristico con una lunga storia e un'ampia applicazione, le prestazioni della ghisa dipendono in gran parte dalla forma della grafite al suo interno. La grafite è come un'arma a doppio taglio nella ghisa. Non solo conferisce alla ghisa proprietà uniche, ma ha anche un effetto complesso sulle sue proprietà.

Che cos'è la grafite nella ghisa?

Grafite è un allotropo del carbonio che esiste come fase indipendente nella ghisa. La ghisa è una lega ferro-carbonio con un contenuto di carbonio superiore a 2,11% (generalmente 2,5-4,0%). Durante il processo di solidificazione, l'elemento carbonio precipita sotto forma di grafite. La forma, la dimensione e la distribuzione della grafite nella ghisa giocano un ruolo decisivo nelle prestazioni della ghisa.

Panoramica sulla grafite nella ghisa

Proprietà di base della grafite

La grafite ha una tipica struttura cristallina a strati con deboli forze di van der Waals che legano gli strati tra loro. Questa struttura conferisce alla grafite molte proprietà uniche. La sua struttura è morbida, la durezza Mohs è solo 1-2 e si percepisce una sensazione di morbidezza. La grafite ha una buona conducibilità elettrica e termica, ma la sua conducibilità elettrica è inferiore a quella dei materiali metallici in generale. Ma è un eccellente conduttore nei materiali non metallici. Inoltre, le proprietà chimiche della grafite sono stabili. Non è facile che reagisca chimicamente con altre sostanze a temperatura ambiente e ha una buona resistenza alla corrosione.

Importanza della grafite nella ghisa

La grafite svolge un ruolo fondamentale nella ghisa. Dal punto di vista delle proprietà meccaniche, la presenza di grafite è simile alla formazione di un gran numero di piccole "fonti di cricche" nella matrice metallica. Ciò riduce la resistenza e la tenacità della ghisa. Tuttavia, la grafite conferisce alla ghisa anche alcune proprietà speciali. Ad esempio, l'effetto lubrificante della grafite fa sì che la ghisa abbia una buona resistenza all'attrito e all'usura. È molto importante nella produzione di componenti come i cuscinetti a strisciamento e le guide delle macchine utensili. La conducibilità termica della grafite aiuta la ghisa a dissipare uniformemente il calore durante il processo di riscaldamento e a migliorare la sua stabilità termica. Inoltre, la presenza di grafite può far ottenere alla ghisa buone proprietà di fusione. Ad esempio, riduce la tensione superficiale della ghisa liquida, migliorandone la fluidità. Questo favorisce la getto di parti di forma complessa.

Diversi tipi di grafite nella ghisa

Ghisa sferoidale (ghisa sferoidale)

La ghisa a grafite nodulare e la ghisa a grafite sferoidale si riferiscono allo stesso materiale. Non c'è una differenza sostanziale tra i due, ma solo nel nome della differenza.

Meccanismo di formazione della grafite sferica

L'aggiunta di agenti nodulanti (come magnesio, terre rare, ecc.) e inoculanti al ferro liquido è la chiave. L'agente sferoidizzante riduce la tensione superficiale del carbonio nel ferro liquido e fa crescere la grafite in modo sferico. L'inoculante aumenta il numero di nuclei di grafite, raffina e omogeneizza le sfere di grafite. E ha solidificato il ferro liquido in grafite sferica a una temperatura adeguata.

Proprietà della ghisa sferoidale

Eccellenti proprietà meccaniche, resistenza alla trazione di oltre 400MPa-1000MPa, ben oltre la ghisa grigia. Allungamento di circa 2%-20%, tenacità, buona duttilità, resiste agli urti e alle deformazioni, può sostituire parzialmente l'acciaio fuso. Eccellente resistenza all'usura, elevata resistenza alla fatica, buona durata.

Microstruttura della ghisa sferica

Composto da grafite sferica uniformemente distribuita in una matrice metallica (ferrite, perlite o struttura mista). La tenacità e la plasticità della matrice di ferrite sono buone. La matrice di perlite ha un'elevata resistenza e durezza. Le sfere di grafite piccole e uniformemente distribuite possono migliorare le proprietà complessive del materiale.

Ghisa vs ghisa

Rispetto alla ghisa grigia, le proprietà meccaniche sono notevolmente migliorate. La grafite a scaglie della ghisa grigia taglia gravemente la matrice, con conseguente bassa resistenza e tenacità. La grafite sferoidale della ghisa sferoidale presenta una scarsa scissione della matrice. Sebbene la ghisa sferoidale necessiti di un controllo più preciso della sferoidizzazione e del trattamento di inoculazione, ha una buona fluidità e riempimento. Può soddisfare la produzione di getti complessi. Per quanto riguarda le applicazioni, è possibile utilizzare la ghisa ordinaria per requisiti di resistenza e tenacità non elevati, come ad esempio il basamento delle macchine utensili. La ghisa Sg è utilizzata per la produzione di componenti chiave nei settori automobilistico, meccanico, aerospaziale e in altri campi.

Ghisa grigia

Microstruttura della ghisa grigia

Composta da grafite in fiocchi e matrice metallica (ferrite, perlite o struttura mista), la grafite in fiocchi indebolisce la continuità della matrice, con conseguenti scarse proprietà meccaniche.

Scaglie di grafite in ghisa grigia

La forma è irregolare, a scaglie o a strisce. Le dimensioni, la quantità e la distribuzione influiscono sulle prestazioni. I fiocchi di grafite di grandi dimensioni riducono la resistenza e la tenacità, mentre una distribuzione fine e uniforme può migliorare le prestazioni. Scaglia di grafite conferisce alla ghisa grigia un buon assorbimento degli urti. È adatta per la produzione di basamenti di macchine utensili, blocchi cilindri di motori e altre parti che necessitano di assorbimento degli urti.

Dimensione delle scaglie di grafite nella ghisa

Misurata in base alla lunghezza e allo spessore, la lunghezza varia da decine a centinaia di micron e lo spessore da alcune a decine di micron. Le dimensioni sono influenzate dal processo di fusione e dalla composizione chimica. L'elevato tenore di carbonio e la lenta velocità di raffreddamento fanno sì che il foglio di grafite si ingrandisca, mentre l'aggiunta di elementi di lega (come silicio e manganese) può essere perfezionata.

Ghisa compattata con grafite

Meccanismo di formazione della grafite vermiforme

È necessario controllare rigorosamente la composizione del ferro liquido e il processo di trattamento. Aggiungere una quantità adeguata di vermiculatore (complesso di magnesio, terre rare e altri elementi) e prepararlo con l'inoculazione. Il vermiculatore fa crescere la grafite in una forma vermicolare con un'estremità liscia. Agire tra un nodulatore e nessun trattamento e formare una grafite vermicolare in condizioni di solidificazione adeguate.

Proprietà della ghisa grafitata compattata

Prestazioni tra ghisa duttile e ghisa grigia. Resistenza alla trazione 300MPa-500MPa, superiore alla ghisa grigia. La tenacità e la duttilità sono migliori della ghisa grigia, ma leggermente peggiori della ghisa nodulare. Buona conducibilità termica, vicina a quella della ghisa grigia. ghisa grigiaresistenza all'usura e alla fatica termica, può lavorare in condizioni di alta temperatura e carico alternato.

Microstruttura della ghisa compattata con grafite

Composto da grafite vermiforme uniformemente distribuita in una matrice metallica (ferrite, perlite o struttura mista). Le dimensioni, la quantità e la distribuzione della grafite compattata influenzano le proprietà del materiale e controllano ragionevolmente la disponibilità di ghisa a grafite fine compattata.

Analisi della microstruttura della ghisa

Metodi analitici

Esistono vari metodi per studiare la microstruttura della ghisa. Di solito si utilizza il microscopio metallografico. Dopo aver lucidato e corroso i campioni di ghisa, è possibile osservare la morfologia della grafite, le dimensioni, la distribuzione e le caratteristiche della struttura della matrice metallica. La microscopia elettronica a scansione (SEM) ha una risoluzione più elevata e può vedere strutture fini come l'interfaccia tra grafite e matrice. La microanalisi a sonda elettronica (EPMA) può analizzare quantitativamente gli elementi della ghisa e determinare la composizione chimica delle diverse fasi. È inoltre possibile utilizzare la diffrazione dei raggi X (XRD) per analizzare la struttura cristallina di ciascuna fase.

Relazione tra microstruttura e proprietà

La microstruttura della ghisa determina direttamente le sue prestazioni. La morfologia, la dimensione e la distribuzione della grafite influenzano in modo significativo le proprietà meccaniche. La grafite sferoidale ha l'effetto minore sulla scissione della matrice e la resistenza e la tenacità sono più elevate. La grafite a scaglie della ghisa grigia riduce la resistenza e la tenacità, ma ha un buon assorbimento degli urti. La grafite compattata rende la ghisa vermicolare una via di mezzo. Anche la struttura della matrice metallica è molto importante: la tenacità della ghisa a matrice di ferrite è buona. La resistenza e la durezza della matrice di perlite sono elevate. Regolando la getto processo e la composizione chimica per controllare la microstruttura, i materiali in ghisa possono essere ottenuti per soddisfare i diversi requisiti di prestazione.

Conclusione

La grafite nella ghisa ha varie forme e le diverse forme conferiscono alla ghisa proprietà diverse. Studiando la microstruttura della ghisa con vari metodi analitici, possiamo chiarire la relazione tra microstruttura e proprietà. In futuro, con lo sviluppo della scienza e della tecnologia dei materiali, la ricerca sulla grafite nella ghisa sarà più approfondita. Si prevede di sviluppare materiali in ghisa con prestazioni migliori e applicazioni più ampie.