Узнайте о графите в чугуне

Как инженерный материал с многовековой историей и широким применением, эксплуатационные характеристики чугуна во многом зависят от содержания в нем графита. Графит в чугуне подобен обоюдоострому мечу. Он не только придает чугуну уникальные свойства, но и оказывает комплексное влияние на его характеристики.

Что такое графит в чугуне?

Графит это аллотроп углерода, который существует как самостоятельная фаза в чугуне. Чугун - это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода более 2,11% (обычно 2,5-4,0%). В процессе затвердевания углеродный элемент выпадает в осадок в виде графита. Форма, размер и распределение графита в чугуне играют решающую роль в эксплуатационных характеристиках чугуна.

Обзор графита в чугуне

Основные свойства графита

Графит имеет типичную слоистую кристаллическую структуру со слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, связывающими слои между собой. Такая структура придает графиту множество уникальных свойств. Его текстура мягкая, твердость по шкале Мооса составляет всего 1-2 балла, при этом возникает ощущение гладкости. Графит обладает хорошей электро- и теплопроводностью, причем его электропроводность ниже, чем у обычных металлических материалов. Но он является отличным проводником в неметаллических материалах. Кроме того, химические свойства графита стабильны. Он нелегко вступает в химическую реакцию с другими веществами при комнатной температуре и обладает хорошей коррозионной стойкостью.

Значение графита в чугуне

Графит играет ключевую роль в чугуне. С точки зрения механических свойств, присутствие графита подобно образованию большого количества крошечных "источников трещин" в металлической матрице. Это снижает прочность и вязкость чугуна. Однако графит также придает чугуну некоторые особые свойства. Например, благодаря смазывающему действию графита чугун обладает хорошей антифрикционной и износостойкой прочностью. Это имеет большое значение при изготовлении таких деталей, как подшипники скольжения и направляющие станков. Теплопроводность графита помогает чугуну равномерно рассеивать тепло в процессе нагрева и повышает его термическую стабильность. Кроме того, присутствие графита позволяет чугуну приобретать хорошие литейные свойства. Например, снижает поверхностное натяжение жидкого чугуна, улучшая его текучесть. Это способствует литье деталей сложной формы.

Различные типы графита в чугуне

Чугун с шаровидным графитом (чугун с узелковым графитом)

Чугун с узелковым графитом и чугун с шаровидным графитом относятся к одному и тому же материалу. И существенной разницы между ними нет, только в названии.

Механизм образования шаровидного графита

Ключевым моментом является добавление в жидкое железо нодулирующего агента (например, магния, редкоземельных металлов и т. д.) и инокулянта. Сфероидизирующий агент снижает поверхностное натяжение углерода в жидком железе и заставляет графит расти шарообразно. Инокулянт увеличивает число зарождений графита, рафинирует и гомогенизирует графитовые шарики. И затвердевал в шарообразный графит при подходящей температуре.

Свойства сфероидального чугуна

Отличные механические свойства, прочность на разрыв более 400МПа-1000МПа, намного превосходит серый чугун. Удлинение около 2%-20%, вязкость, хорошая пластичность, выдерживает удары и деформации, может частично заменить литую сталь. Отличная износостойкость, обладает высокой усталостной прочностью, хорошей долговечностью.

Микроструктура сферического чугуна

Состоит из сферического графита, равномерно распределенного в металлической матрице (феррит, перлит или смешанная структура). Ферритовая матрица обладает хорошей прочностью и пластичностью. Перлитная матрица обладает высокой прочностью и твердостью. Небольшие и равномерно распределенные графитовые шарики могут улучшить общие свойства материала.

Чугун против чугуна

По сравнению с серым чугуном механические свойства значительно улучшены. Чешуйчатый графит серого чугуна сильно раскалывает матрицу, что приводит к низкой прочности и вязкости. Шаровидный графит нодулярного чугуна почти не раскалывает матрицу. Хотя нодулярный чугун требует более точного контроля сфероидизации и затравочной обработки, он обладает хорошей текучестью и наполняемостью. Он может удовлетворять требованиям производства сложных отливок. В применении, вы можете использовать обычный чугун для прочности и вязкости требования не высоки, такие как станина станка. Чугун Sg используется для производства ключевых компонентов в автомобильной, машиностроительной, аэрокосмической и других отраслях.

Серый чугун

Микроструктура серого чугуна

Состоит из чешуйчатого графита и металлической матрицы (феррит, перлит или смешанная структура), чешуйчатый графит ослабляет целостность матрицы, что приводит к ухудшению механических свойств.

Графитовые чешуйки в сером чугуне

Форма неправильная, в виде чешуек или полос. Его размер, количество и распределение влияют на эксплуатационные характеристики. Крупные хлопья графита снижают прочность и вязкость, а мелкие и равномерно распределенные могут улучшить характеристики. Графитовая чешуйка придает серому чугуну хорошую амортизацию. Он подходит для изготовления станин станков, блоков цилиндров двигателей и других деталей, нуждающихся в амортизации.

Размер графитовых хлопьев в чугуне

Измеряется по длине и толщине, длина составляет от десятков до сотен микрон, а толщина - от нескольких до десятков микрон. На размер влияет процесс литья и химический состав. Высокий углеродный эквивалент и медленная скорость охлаждения заставляют графитовый лист увеличиваться в размерах, а добавление легирующих элементов (таких как кремний и марганец) позволяет уточнить размер.

Чугун с уплотненным графитом

Механизм образования червеобразного графита

Необходимо строго контролировать состав жидкого железа и процесс обработки. Добавьте соответствующее количество вермикулятора (комплекс магния, редкоземельных и других элементов) и подготовьте его с помощью затравки. Вермикулятор заставляет графит расти в вермикулярную форму с гладким концом. Действуя между затравкой и отсутствием обработки, сформируйте вермикулярный графит при подходящих условиях затвердевания.

Свойства чугуна с уплотненным графитом

Характеристики между ковким чугуном и серым чугуном. Прочность на разрыв 300МПа-500МПа, выше, чем у серого чугуна. Вязкость и пластичность лучше, чем у серого чугуна, но немного хуже, чем у чугуна с шаровидным графитом. Хорошая теплопроводность, близкая к серый чугунИзносостойкость и сопротивление термической усталости, может работать при высокой температуре, переменной нагрузке.

Микроструктура чугуна с уплотненным графитом

Состоит из червеобразного графита, равномерно распределенного в металлической матрице (феррит, перлит или смешанная структура). Размер, количество и распределение уплотненного графита влияют на свойства материала и в значительной степени определяют доступность чугуна с мелким уплотненным графитом.

Анализ микроструктуры чугуна

Аналитические методы

Существуют различные методы исследования микроструктуры чугуна. Обычно используют металлографический микроскоп. После полировки и коррозии образцов чугуна можно наблюдать морфологию графита, его размер, распределение и характеристики структуры металлической матрицы. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) имеет более высокое разрешение и позволяет увидеть тонкие структуры, такие как граница раздела между графитом и матрицей. Электронно-зондовый микроанализ (EPMA) позволяет проводить количественный анализ элементов чугуна и определять химический состав различных фаз. А с помощью рентгеновской дифракции (XRD) можно проанализировать кристаллическую структуру каждой фазы.

Взаимосвязь между микроструктурой и свойствами

Микроструктура чугуна напрямую определяет его эксплуатационные характеристики. Морфология, размер и распределение графита существенно влияют на механические свойства. Шаровидный графит оказывает наименьшее влияние на расщепление матрицы, а его прочность и вязкость выше. Чешуйчатый графит в сером чугуне снижает прочность и вязкость, но обладает хорошей амортизацией. Уплотненный графит делает вермикулярный чугун чем-то средним. Структура металлической матрицы также очень важна: прочность чугуна с ферритовой матрицей очень высока. А прочность и твердость перлитной матрицы высоки. Регулируя литье Процесс и химический состав для управления микроструктурой, чугунные материалы могут быть получены для удовлетворения различных эксплуатационных требований.

Заключение

Графит в чугуне имеет различные формы, и разные формы придают чугуну различные свойства. Изучая микроструктуру чугуна различными аналитическими методами, мы можем прояснить взаимосвязь между микроструктурой и свойствами. В будущем, с развитием материаловедения и технологий, исследования графита в чугуне будут более углубленными. И ожидается, что будут разработаны чугунные материалы с лучшими характеристиками и более широким применением.