Дізнайтеся про графіт у чавуні

Як різновид інженерного матеріалу з довгою історією та широким застосуванням, експлуатаційні характеристики чавуну значною мірою залежать від форми графіту всередині. Графіт - це як двосічний меч у чавуні. Він не тільки надає чавуну унікальних властивостей, але й має комплексний вплив на його властивості.

Що таке графіт у чавуні?

Графіт це алотроп вуглецю, який існує як незалежна фаза в чавуні. Чавун - це залізовуглецевий сплав з вмістом вуглецю більше 2,11% (зазвичай 2,5-4,0%). І в процесі його застигання вуглецевий елемент буде осаджуватися у вигляді графіту. Форма, розмір і розподіл графіту в чавуні відіграють вирішальну роль у характеристиках чавуну.

Огляд графіту в чавуні

Основні властивості графіту

Графіт має типову шарувату кристалічну структуру зі слабкими ван-дер-ваальсовими силами, що зв'язують шари між собою. Така структура надає графіту багато унікальних властивостей. Його текстура м'яка, твердість за шкалою Мооса становить лише 1-2 одиниці, і є відчуття гладкості. Графіт має хорошу електро- і теплопровідність, причому його електропровідність нижча, ніж у звичайних металевих матеріалів. Але він є чудовим провідником у неметалевих матеріалах. Крім того, хімічні властивості графіту стабільні. І він нелегко вступає в хімічну реакцію з іншими речовинами при кімнатній температурі, і має хорошу корозійну стійкість.

Важливість графіту в чавуні

Графіт відіграє ключову роль у чавуні. З точки зору механічних властивостей, наявність графіту подібна до утворення великої кількості крихітних "джерел тріщин" у металевій матриці. Це знижує міцність і в'язкість чавуну. Однак графіт також надає чавуну деякі особливі властивості. Наприклад, змащувальний ефект графіту забезпечує чавуну хороші антифрикційні та зносостійкі властивості. Це має велике значення у виробництві таких деталей, як підшипники ковзання та напрямні верстатів. Теплопровідність графіту допомагає чавуну рівномірно розсіювати тепло під час нагрівання і покращує його термічну стабільність. Більше того, наявність графіту також може сприяти отриманню чавуном хороших ливарних властивостей. Такі як зменшення поверхневого натягу рідкого чавуну, поліпшення його плинності. Це сприяє отриманню кастинг деталей складної форми.

Різні типи графіту в чавуні

Чавун з кулястим графітом (чавун з кулястим графітом)

Чавун з кулястим графітом і чавун з кулястим графітом відносяться до одного і того ж матеріалу. І між ними немає суттєвої різниці, тільки в назві різниці.

Механізм утворення сферичного графіту

Ключовим моментом є додавання до рідкого чавуну нодулюючого агента (наприклад, магнію, рідкоземельних металів тощо) та інокулянта. Сфероїдизуючий агент зменшує поверхневий натяг вуглецю в рідкому чавуні і змушує графіт рости сферично. Інокулянт збільшив кількість зародків графіту, очистив і гомогенізував графітові кульки. І за відповідної температури затверділа рідке залізо в сферичний графіт.

Властивості кулястого чавуну

Відмінні механічні властивості, межа міцності на розрив понад 400 МПа-1000 МПа, що значно перевищує сірий чавун. Подовження близько 2%-20%, в'язкість, хороша пластичність, витримує удар і деформацію, може частково замінити литу сталь. Відмінна зносостійкість, має високу втомну міцність, хорошу довговічність.

Мікроструктура кулястого чавуну

Складається зі сферичного графіту, рівномірно розподіленого в металевій матриці (ферит, перліт або змішана структура). Твердість і пластичність феритної матриці хороші. Перлітова матриця має високу міцність і твердість. Невеликі та рівномірно розподілені графітові кульки можуть покращити загальні властивості матеріалу.

Чавун Sg проти чавуну

Порівняно з сірим чавуном, механічні властивості значно покращуються. Пластівчастий графіт сірого чавуну серйозно порізав матрицю, що призвело до низької міцності та в'язкості. Кулястий графіт кулястого чавуну має незначне розщеплення матриці. Хоча кулястий чавун потребує більш точного контролю сфероїдизації та обробки щепленням, він має хорошу плинність та наповнення. Він може відповідати виробництву складних виливків. У застосуванні можна використовувати звичайний чавун, оскільки вимоги до міцності та в'язкості не високі, наприклад, станини верстатів. Чавун Sg використовується для виробництва ключових компонентів в автомобільній, машинобудівній, аерокосмічній та інших галузях.

Сірий чавун

Мікроструктура сірого чавуну

Складається з пластівчастого графіту і металевої матриці (ферит, перліт або змішана структура), пластівчастий графіт послаблює безперервність матриці, що призводить до погіршення механічних властивостей.

Графітові пластівці в сірому чавуні

Форма неправильна, у вигляді пластівців або смужок. Його розмір, кількість і розподіл впливають на продуктивність. Великі пластівці графіту знижують міцність і в'язкість, а дрібний і рівномірний розподіл може поліпшити експлуатаційні характеристики. Графітова луска надає сірому чавуну хорошу амортизацію. Він підходить для виготовлення станини верстата, блоку циліндрів двигуна та інших деталей, які потребують амортизації.

Розмір пластівців графіту в чавуні

Довжина і товщина вимірюються від десятків до сотень мікрон, а товщина - від декількох до десятків мікрон. На розмір впливає процес лиття та хімічний склад. Високий вуглецевий еквівалент і повільна швидкість охолодження роблять графітовий лист більшим, а додавання легуючих елементів (таких як кремній і марганець) може бути вдосконалене.

Чавун з ущільненим графітом

Механізм утворення червоподібного графіту

Необхідно суворо контролювати склад рідкого заліза і процес обробки. Додайте відповідну кількість вермикулянту (комплекс магнію, рідкоземельних та інших елементів) і підготуйте його до інокуляції. Вермикулятор змушує графіт виростати у вермикулярну форму з гладким кінцем. Діючи між нодулятором і відсутністю обробки, він формує вермикулярний графіт за відповідних умов затвердіння.

Властивості ущільненого графітованого чавуну

Характеристики між ковким чавуном і сірим чавуном. Межа міцності на розрив 300 МПа-500 МПа, вище, ніж у сірого чавуну. Твердість і пластичність кращі, ніж у сірого чавуну, але трохи гірші, ніж у чавуну з кулястим графітом. Хороша теплопровідність, близька до сірий чавунзносостійкість і стійкість до термічної втоми, може працювати при високій температурі, змінному навантаженні.

Мікроструктура ущільненого графітованого чавуну

Складається з червоподібного графіту, рівномірно розподіленого в металевій матриці (ферит, перліт або змішана структура). Розмір, кількість і розподіл ущільненого графіту впливають на властивості матеріалу і дозволяють розумно контролювати доступність чавуну з дрібнодисперсним ущільненим графітом.

Аналіз мікроструктури чавуну

Аналітичні методи

Існують різні методи дослідження мікроструктури чавуну. Зазвичай використовують металографічний мікроскоп. Після полірування та корозії зразків чавуну можна спостерігати морфологію графіту, розмір, розподіл та характеристики структури металевої матриці. Скануюча електронна мікроскопія (РЕМ) має вищу роздільну здатність і дозволяє побачити тонкі структури, такі як межа розділу між графітом і матрицею. Електронний зондовий мікроаналіз (EPMA) дозволяє кількісно проаналізувати елементи чавуну і визначити хімічний склад різних фаз. А за допомогою рентгенівської дифракції (XRD) можна проаналізувати кристалічну структуру кожної фази.

Зв'язок між мікроструктурою та властивостями

Мікроструктура чавуну безпосередньо визначає його експлуатаційні характеристики. Морфологія, розмір і розподіл графіту суттєво впливають на механічні властивості. Кулястий графіт має найменший вплив на розщеплення матриці, а міцність і в'язкість є вищими. Пластівчастий графіт сірого чавуну знижує міцність і в'язкість, але має хорошу амортизацію. Ущільнений графіт робить вермикулярний чавун чимось середнім між ними. Структура металевої матриці також дуже важлива, в'язкість чавуну з феритною матрицею хороша. А міцність і твердість перлітової матриці високі. Регулюючи кастинг Залежно від технологічного процесу та хімічного складу для контролю мікроструктури, можна отримати чавунні матеріали, що відповідають різним вимогам до експлуатаційних характеристик.

Висновок

Графіт у чавуні має різні форми, а різні форми надають чавуну різні властивості. Вивчаючи мікроструктуру чавуну різними аналітичними методами, ми можемо з'ясувати взаємозв'язок між мікроструктурою і властивостями. У майбутньому, з розвитком матеріалознавства і технологій, дослідження графіту в чавуні будуть більш поглибленими. Очікується, що будуть розроблені чавунні матеріали з кращими експлуатаційними характеристиками та ширшим застосуванням.