Saiba mais sobre grafite em ferro fundido

Como um tipo de material de engenharia com uma longa história e ampla aplicação, o desempenho do ferro fundido depende muito da forma do grafite em seu interior. O grafite é como uma faca de dois gumes no ferro fundido. Ele não apenas confere propriedades exclusivas ao ferro fundido, mas também tem um efeito complexo em suas propriedades.

O que é grafite no ferro fundido?

Grafite é um alótropo de carbono que existe como uma fase independente no ferro fundido. O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono com um teor de carbono superior a 2,11% (geralmente 2,5-4,0%). E, durante o processo de solidificação, o elemento carbono será precipitado na forma de grafite. A forma, o tamanho e a distribuição do grafite no ferro fundido desempenham um papel decisivo no desempenho do ferro fundido.

Visão geral do grafite em ferro fundido

Propriedades básicas do grafite

O grafite tem uma estrutura típica de cristal em camadas, com forças fracas de van der Waals unindo as camadas. Essa estrutura confere ao grafite muitas propriedades exclusivas. Sua textura é macia, a dureza Mohs é de apenas 1 a 2, e há uma sensação de suavidade. O grafite tem boa condutividade elétrica e térmica, e sua condutividade elétrica é menor do que a dos materiais metálicos em geral. Mas é um excelente condutor em materiais não metálicos. Além disso, as propriedades químicas do grafite são estáveis. Não é fácil reagir quimicamente com outras substâncias em temperatura ambiente e tem boa resistência à corrosão.

Importância do grafite no ferro fundido

O grafite desempenha um papel fundamental no ferro fundido. Do ponto de vista das propriedades mecânicas, a presença de grafite é semelhante à formação de um grande número de minúsculas "fontes de rachaduras" na matriz metálica. Isso reduzirá a resistência e a tenacidade do ferro fundido. Entretanto, o grafite também confere ao ferro fundido algumas propriedades especiais. Por exemplo, o efeito de lubrificação do grafite faz com que o ferro fundido tenha boa resistência ao atrito e ao desgaste. Isso é de grande importância na fabricação de peças como mancais de deslizamento e guias de máquinas-ferramenta. A condutividade térmica do grafite ajuda o ferro fundido a dissipar o calor uniformemente durante o processo de aquecimento e a melhorar sua estabilidade térmica. Além disso, a presença de grafite também pode fazer com que o ferro fundido obtenha boas propriedades de fundição. Por exemplo, a redução da tensão superficial do ferro líquido, melhorando sua fluidez. Isso favorece a fundição de peças com formatos complexos.

Diferentes tipos de grafite em ferro fundido

Ferro fundido com grafite esferoidal (ferro fundido com grafite nodular)

O ferro fundido de grafite nodular e o ferro fundido de grafite esferoidal referem-se ao mesmo material. E não há diferença essencial entre os dois, apenas no nome da diferença.

Mecanismo de formação de grafite esférico

A adição de agente nodulante (como magnésio, terras raras, etc.) e inoculante ao ferro líquido é fundamental. O agente esferoidizante reduz a tensão superficial do carbono no ferro líquido e faz com que o grafite cresça de forma esférica. O inoculante aumentou o número de nucleação do grafite, refinou e homogeneizou as esferas de grafite. E solidificou o ferro líquido em grafite esférico em uma temperatura adequada.

Propriedades do ferro fundido esferoidal

Excelentes propriedades mecânicas, resistência à tração de mais de 400MPa-1000MPa, muito além do ferro fundido cinzento. Alongamento de cerca de 2%-20%, tenacidade, boa ductilidade, capacidade de suportar impactos e deformações, podendo substituir parcialmente o aço fundido. Excelente resistência ao desgaste, tem alta resistência à fadiga e boa durabilidade.

Microestrutura de ferro fundido esférico

Composto por grafite esférico distribuído uniformemente em uma matriz metálica (ferrita, perlita ou estrutura mista). A resistência e a plasticidade da matriz de ferrita são boas. A matriz de perlita tem alta resistência e dureza. Esferas de grafite pequenas e uniformemente distribuídas podem melhorar as propriedades gerais do material.

Ferro Sg vs. ferro fundido

Em comparação com o ferro fundido cinzento, as propriedades mecânicas são muito melhores. A grafite em flocos do ferro fundido cinzento corta seriamente a matriz, resultando em baixa resistência e tenacidade. O grafite esferoidal do ferro fundido nodular tem pouca clivagem na matriz. Embora o ferro fundido nodular precise de um controle mais preciso da esferoidização e do tratamento de inoculação, ele tem boa fluidez e enchimento. Ele pode atender à produção de peças fundidas complexas. Na aplicação, você pode usar o ferro fundido comum para requisitos de resistência e tenacidade que não sejam altos, como a base da máquina-ferramenta. O ferro fundido Sg é usado para fabricar componentes importantes nos setores automotivo, de maquinário, aeroespacial e outros.

Ferro fundido cinza

Microestrutura do ferro fundido cinzento

Composto de grafite em flocos e matriz metálica (ferrita, perlita ou estrutura mista), o grafite em flocos enfraquece a continuidade da matriz, resultando em propriedades mecânicas ruins.

Flocos de grafite em ferro fundido cinza

O formato é irregular, em flocos ou tiras. Seu tamanho, quantidade e distribuição afetam o desempenho. Flocos grandes de grafite reduzem a resistência e a tenacidade, e a distribuição fina e uniforme pode melhorar o desempenho. Flocos de grafite confere ao ferro fundido cinzento boa absorção de impactos. Ele é adequado para a fabricação de bases de máquinas-ferramenta, blocos de cilindros de motores e outras peças que precisam de absorção de choque.

Tamanho dos flocos de grafite em ferro fundido

Medido pelo comprimento e pela espessura, o comprimento é de dezenas a centenas de mícrons, e a espessura é de várias a dezenas de mícrons. O tamanho é afetado pelo processo de fundição e pela composição química. O alto teor de carbono equivalente e a baixa velocidade de resfriamento fazem com que a folha de grafite fique maior, e a adição de elementos de liga (como silício e manganês) pode ser refinada.

Ferro fundido com grafite compactado

Mecanismo de formação de grafite sem-fim

É necessário controlar rigorosamente a composição do ferro líquido e o processo de tratamento. Adicione uma quantidade adequada de vermiculador (complexo de magnésio, terras raras e outros elementos) e prepare-o com inoculação. O vermiculador faz com que o grafite cresça em um formato vermicular com uma extremidade lisa. Atuando entre um nodulador e nenhum tratamento, e formando um grafite vermicular sob condições adequadas de solidificação.

Propriedades do ferro fundido de grafite compactado

Desempenho entre o ferro dúctil e o ferro fundido cinzento. Resistência à tração de 300 MPa a 500 MPa, superior à do ferro fundido cinzento. A tenacidade e a ductilidade são melhores que as do ferro fundido cinzento, mas um pouco piores que as do ferro fundido nodular. Boa condutividade térmica, próxima a ferro fundido cinzentoA resistência ao desgaste e à fadiga térmica pode funcionar sob alta temperatura e carga alternada.

Microestrutura de ferro fundido de grafite compactado

Composto por grafite em forma de verme distribuído uniformemente em uma matriz metálica (ferrita, perlita ou estrutura mista). O tamanho, a quantidade e a distribuição do grafite compactado afetam as propriedades do material e controlam razoavelmente a disponibilidade de ferro fundido com grafite fino compactado.

Análise da microestrutura do ferro fundido

Métodos analíticos

Há vários métodos para estudar a microestrutura do ferro fundido. Normalmente, usa-se o microscópio metalográfico. Após o polimento e a corrosão das amostras de ferro fundido, é possível observar a morfologia, o tamanho, a distribuição da grafite e as características da estrutura da matriz metálica. A microscopia eletrônica de varredura (SEM) tem maior resolução e pode ver estruturas finas, como a interface entre a grafite e a matriz. A microanálise por sonda eletrônica (EPMA) pode analisar quantitativamente os elementos do ferro fundido e determinar a composição química de diferentes fases. E você pode usar a difração de raios X (XRD) para analisar a estrutura cristalina de cada fase.

Relação entre microestrutura e propriedades

A microestrutura do ferro fundido determina diretamente seu desempenho. A morfologia, o tamanho e a distribuição do grafite afetam significativamente as propriedades mecânicas. O grafite esferoidal tem o menor efeito sobre a clivagem da matriz, e a resistência e a tenacidade são maiores. O grafite em flocos do ferro fundido cinzento reduz a resistência e a tenacidade, mas tem boa absorção de choque. O grafite compactado torna o ferro fundido vermicular algo intermediário. A estrutura da matriz metálica também é muito importante, e a resistência do ferro fundido com matriz de ferrite é boa. E a resistência e a dureza da matriz de perlita são altas. Ao ajustar a fundição processo e composição química para controlar a microestrutura, os materiais de ferro fundido podem ser obtidos para atender a diferentes requisitos de desempenho.

Conclusão

O grafite no ferro fundido tem várias formas, e diferentes formas conferem diferentes propriedades ao ferro fundido. Ao estudar a microestrutura do ferro fundido por meio de vários métodos analíticos, podemos esclarecer a relação entre a microestrutura e as propriedades. No futuro, com o desenvolvimento da ciência e tecnologia de materiais, a pesquisa sobre grafite no ferro fundido será mais aprofundada. E espera-se desenvolver materiais de ferro fundido com melhor desempenho e aplicação mais ampla.