Složení |
Uhlíkové železo (3,5) |
---|
Obsazení v kovu , je slitina z železa a uhlíku , jehož obsah je vyšší než 2%. Uhlík, který je přesycený v litinách, se může vysrážet ve formě grafitu nebo cementitu Fe 3 C. Od ostatních slitin železa se liší svou vynikající tekutostí.
Existuje několik klasifikací litin, ale nejpoužívanější, založené na lomové facii svědka, definuje dvě kategorie: bílé litiny , s bílým lomem , vyrobené ze železa a cementitu a šedé litiny , s šedým lomem, vyrobené z železa a grafitu.
Litiny jsou všechny slitiny. Od ostatních slitin se odlišují vynikající tekutostí (tento termín kombinuje tepelnou setrvačnost a tekutost roztavené slitiny, měří se standardizovaným způsobem spirálovou zkumavkou trojúhelníkového průřezu).
Litina má teplotu tání v rozmezí od 1135 do 1350 ° C , v podstatě v závislosti na procentu uhlíku a křemíku, které obsahuje. Když je roztavený, jeho maximální obsah uhlíku závisí na jeho teplotě. V době tuhnutí, množství uhlíku srážejícího ve formě grafitu v kovové matrici závisí na ostatních přítomných prvků (zejména křemíku) a na chlazení sazby.
Může to být předchůdce při výrobě oceli ze železné rudy . Je to slitina, která vychází z vysoké pece a která bude rafinována na ocel ( oduhličením ). Poté se nazývá surové železo , aby se odlišilo od slévárenského železa , které je obvykle výsledkem tavení kupole , určeného složení a které je určeno k výrobě odlitků.
Tavení byl objeven v Číně během období válčících států ( IV th století před naším letopočtem. ). V Evropě bylo v průběhu XIX -tého století, které tavení se zásadní místo v ekonomice, generalizaci „nepřímého procesu“ (výroba železa ve vysokých pecích při výrobě litiny meziproduktu).
Litina se vyráběla ve vysokých pecích na dřevěné uhlí . Abraham Darby , který byl původně pražičem sladu (na výrobu piva ), uspěl ve výrobě litiny s použitím koksu („coak“, který byl později napsán „koks“, z angličtiny vařit ). V roce 1709 vyrobil pomocí uhlí s nízkým obsahem síry první koksovou litinu ve své továrně v Coalbrookdale . Ale výrobku, o kterém se tvrdilo, že má nižší kvalitu než litina na spalování dřeva, trvalo padesát let, než se etabloval a stal se jedním z hlavních produktů industrializace. V letech 1777 až 1779 postavil Abraham Darby III v Coalbrookdale Železný most , první velký kovový most v historii, vyrobený výhradně z litiny. Výroba litiny na dřevo přesto přetrvávala, částečně kvůli protekcionismu uplatňovanému producentskými zeměmi (Francie, Německo), částečně kvůli kvalitě přisuzované tomuto typu litiny a neochotě některých kovářů.
Z chemického hlediska jsou litiny slitiny železa a uhlíku obsahující eutektickou fázi zvanou ledeburit . Na metastabilním fázovém diagramu železo-uhlík tedy jde o slitiny železo-uhlík, které mají více než 2,11% uhlíku (ale tento diagram již neplatí za přítomnosti legujících prvků).
Různé litiny se vyznačují procentem uhlíku . V případě čisté slitiny železa a uhlíku (teoretický případ, protože litina vždy obsahuje křemík a mangan ve významných množstvích), jsou uvedeny následující mezní hodnoty:
Oceli krystalizovat v metastabilní železo-uhlík fer- cementitu diagramu (znázorněné na obrázku), i když je grafit, který je termodynamicky stabilní: cementitu by rozkládat na
Fe 3 C → 3Fe α + C (grafit)ale mobilita atomů uhlíku není dostatečná, aby k tomu mohlo dojít.
Tento případ je pro litiny, které mají vyšší obsah uhlíku, a tak mohou krystalizovat ve stabilní železo-uhlík schématu: fer- grafitu . Rozdíl mezi těmito 2 diagramy spočívá na prvním místě v rychlosti ochlazování: když je rychlost ochlazování rychlá, uhlík rozpuštěný v γ železa nemá čas migrovat na velké vzdálenosti a tvoří karbidy Fe 3 C., Cementit, na web; zatímco pokud je rychlost ochlazování dostatečně pomalá, uhlík se může „shromažďovat“ a tvořit grafit .
Na železo-uhlík diagramu stabilní, eutektické je při obsahu 4,25% uhlíku, a taje při teplotě 1153 ° C .
Proto máme dva typy písem:
Rozdíl mezi bílou a šedé litiny (nebo černý), když XVIII -tého století. Získání šedé nebo bílé litiny závisí jak na jejich složení, tak na rychlosti ochlazování.
Přidání legujících prvků může podpořit tuhnutí litiny buď podle stabilního diagramu (grafit), nebo podle metastabilního diagramu (cementit). Najdeme zejména jako legující prvky křemík, který podporuje tuhnutí litiny podle stabilního diagramu, nebo mangan, který podporuje tvorbu perlitu (feritové a cementitové vločky). Litina se však nepovažuje za legovanou, pokud je obsah manganu mezi 0,5 a 1,5%, křemík mezi 0,5 a 3%, fosfor mezi 0,05 a 2,5%.
Říká se, že litina je legovaná, pokud kromě výše uvedených prvků obsahuje v dostatečném množství alespoň jeden přídavný prvek, jako je: nikl, měď (více než 0,30%); chrom (více než 0,20%); titan, molybden, vanad, hliník (více než 0,10%). Podobně se za zvláštní považuje litina obsahující více než 3% křemíku nebo více než 1,5% manganu (to je zejména případ litin GS se zesílenou feritickou matricí).
Bílé litiny je roztok z perlitu a cementitu (Fe 3 C). Přítomnost tohoto cementitu činí z bílé litiny tvrdé a křehké slitiny. Tento typ litiny se získává nízkou teplotou lití, rychlým ochlazováním, vysokým obsahem patkových prvků (např. Manganu, mědi atd.) Nebo nízkým obsahem grafitizujících prvků (např. Křemíku). Bílá písma jsou vyrobena z perlitu a ledeburitu.
Bílá litina, která má dobrou tekutost a zářivě bílý vzhled, se používá hlavně pro vzhledové součásti, opotřebitelné součásti (například špičky botek) a uměleckou slévárnu. Přítomnost karbidu je velmi odolná proti opotřebení a oděru, ale také velmi obtížně zpracovatelná. Tavící pec pro rafinaci převodník (který na konci XX th století, což představuje téměř všichni železa produkoval), ačkoli technicky „bílý železa“ se nikdy tzv. Toto roztavené „ surové železo “ má hodnotu pouze z hlediska svého chemického složení a teploty. Klasifikace litiny, která zahrnuje její chlazení a možné úpravy, proto obecně není při výrobě oceli relevantní .
V závislosti na obsahu legujících prvků je možné získat perlitické nebo martenzitické bílé litiny.
Hlavní vlastnosti bílých písem jsou:
Jejich hlavní nedostatky jsou:
Rodina litin, kde se uhlík nachází ve formě grafitu . Grafitová struktura uhlíku se získá velmi pomalým ochlazováním litiny nebo přidáním grafitizujících složek, jako je křemík . Název šedá litina je způsoben vzhledem lomu, který je šedý na rozdíl od bílé litiny, jejíž barva lomu je bílá. Existují také písma, jejichž vzhled je šedý a bílý, jedná se o opravená písma (připomínající vzhled).
Ačkoli začátek ochlazování probíhá podle stabilního diagramu (železo-grafit), při poklesu teploty již grafitizační faktory nemají žádný účinek, ochlazování probíhá podle metastabilního diagramu. Nakonec může mikrostruktura obsahovat ferit, perlit, cementit a grafit v lamelární nebo sféroidní formě. Podíl každé z těchto fází závisí na složení slitiny a rychlosti ochlazování.
Je to nejběžnější šedé písmo. Grafit je tam ve formě lamel. Právě tento lamelární tvar grafitu (zářezový efekt) činí litiny GL křehkými. Na druhé straně grafit zlepšuje třecí vlastnosti litiny, a proto podporuje obrábění.
Hlavní vlastnosti písem GL jsou:
Hlavní nedostatky:
Hlavní použití:
Litiny GS byly vyvinuty od roku 1948. Litina, ve které se grafit nachází ve formě uzlíků (sféroidů). Tato konkrétní mikrostruktura se získává přidáním hořčíku do litiny krátce před litím (pokud se litina udržuje roztavená, ztrácí specifické vlastnosti litin GS asi po deseti minutách): jedná se o sferoidizační ošetření. Hořčík se odpařuje, ale způsobuje rychlou krystalizaci grafitu ve formě uzlíků. Tato mikrostruktura mu dodává mechanické vlastnosti blízké oceli. Ve skutečnosti sféroidní tvar grafitu dává litině dobrou tažnost.
Získání písma GSBěhem tuhnutí litiny s kuličkovým grafitem se v kapalině objevují sféroidy. Uhlíkové uzliny porostou a vyčerpají kapalinu kolem sebe na uhlíku. Jak postupuje tuhnutí, obklopují se tyto sféroidy austenitovým pláštěm. Uhlík pak musí difundovat v tomto austenitickém plášti, aby potom krystalizoval na uhlíkových sféroidech, a proto se hlavním mechanismem řízení růstu uzlíků stává difúze uhlíku v austenitu. Provedením termické analýzy (teplota jako funkce času) můžeme tento jev také pozorovat. Ve skutečnosti během chlazení není pozorována žádná eutektická hladina kvůli nedostatečné rovnováze mezi kapalnou a pevnou fází (vyjádřená ztrátou kontaktu mezi grafitem a kapalinou). Jakmile je tuhnutí dokončeno, uhlík dále difunduje v austenitu. Rozpustnost uhlíku v austenitu skutečně klesá s teplotou. Eutektoidní transformace probíhá v teplotním rozsahu. V tomto okamžiku, kdy se austenit transformuje na ferit, pozorujeme, jak se více atomů uhlíku rozptyluje směrem k uzlům. To je vysvětleno skutečností, že rozpustnost uhlíku je nižší ve feritu (krystalografická struktura: kubická centrovaná) než v austenitu (čelní centrovaná kubická struktura). Tento proces tuhnutí a následného ochlazení vede k rovnovážné mikrostruktuře tvořené uhlíkovými uzlíky koupenými ve feritické matrici. K tomu samozřejmě dochází pouze v případě, že uhlík má čas difundovat do austenitu / feritu. Pokud je tuhnutí a ochlazování rychlejší než rychlost difúze uhlíku, získá se uhlí spíše ve formě cementitu (metastabilní diagram) než ve formě grafitu (stabilní diagram) a pozorujeme dále transformaci austenitového perlitu spíše než ferit.
Sféroidy jsou tvořeny z heterogenních semen, cizích částic umožňujících krystalizaci grafitu. Existují různé prvky, které podporují tvorbu grafitu ve sféroidní formě: cer, lithium, baryum, stroncium a mnoho dalších prvků. Průmyslově se však používá hořčík, který se zavádí ve formě feroslitiny (FeSiMg). Sferoidizační činidla jsou lační po síře a kyslíku, jejich působení je možné pouze v přebytku zbytkového množství po reakci s kyslíkem a sírou. Kromě toho jsou tyto prvky při teplotě kapalné lázně prchavé a těkavé, takže jejich působení lze pociťovat pouze na krátkou dobu (několik minut). Je nicméně vhodné nevkládat tyto prvky do roztavené lázně příliš, protože některé z nich (zejména hořčík) upřednostňují tuhnutí litiny podle metastabilního diagramu, a proto mohou vést k tvorbě karbidů a riziku příliš vysoký zbytkový obsah je také faktem získání degenerovaného grafitu.
Existují také prvky, které zabraňují tvorbě grafitu ve formě sféroidů: vizmut (v množství větším než 20 ppm ), titan (v množství větším než 400 ppm ), olovo (v množství větším než 20 ppm ).
Pro sferoidizační léčbu existuje několik možných průmyslových metod pro vložení feroslitiny hořčíku:
Struktura litiny závisí na přídavných prvcích a rychlosti ochlazování, tyto parametry silně závisí na tloušťce dílů. Tato struktura silně ovlivňuje mechanické vlastnosti.
Rozlišujeme:
Tyto různé mikrostruktury lze získat úpravou složení litin s sféroidním grafitem (ale také úpravou chlazení). Najdeme zejména tyto legující prvky:
Aby bylo možné charakterizovat mikrostrukturu litiny, lze měřit různé vlastnosti, zejména morfologické vlastnosti grafitu. Ve skutečnosti, abychom mohli klasifikovat grafitové částice a rozhodnout se, zda jsou grafitové částice nodulární, nebo ne, spoléháme se na normu NF-EN-945 (umožňuje vizuální klasifikaci grafitu) nebo na normu NF A04-197, která umožňuje klasifikovat každou z částic pomocí softwaru pro analýzu obrazu výpočtem jejich morfologických charakteristik. Podle těchto dvou standardů lze grafitové částice rozdělit do 6 tříd: forma I, forma II, forma III, forma IV, forma V, forma VI. Grafitové částice se nazývají uzlíky, pokud mají formu V nebo VI.
Jakmile jsou částice klasifikovány, můžeme vypočítat nodularitu naší litiny. Podle normy EN-1563, aby mechanické vlastnosti litiny GS vyhovovaly tomu, co je uvedeno v normě, je nutné, abychom měli nodularitu větší než 80%. Nodolarita se rovná povrchovému procentu grafitových částic formy V a VI.:
Označení | R m ( MPa ) | R p0,2 (MPa) | NA % | Struktura matice | Tvrdost ( HB ) |
---|---|---|---|---|---|
EN-GJS-700-2 (FGS 700-2) | 700 | 470 | 2 | Perlit | 240-300 |
EN-GJS-600-2 (FGS 600-2) | 600 | 400 | 2 | Perlit | 230-280 |
EN-GJS-500-7 (FGS 500-7) | 500 | 350 | 7 | Perlit-feritický | 210-260 |
EN-GJS-400-15 (FGS 400-15) | 400 | 250 | 15 | Ferit | <220 |
EN-GJS-350-22 (FGS 350-22) | 350 | 220 | 22 | Ferit | <200 |
EN-GJS-450-18 (FGS 450-18) | 450 | 350 | 18 | Vyztužený ferit | 170-200 |
EN-GJS-500-14 (FGS 500-14) | 500 | 400 | 14 | Vyztužený ferit | 185-215 |
EN-GJS-600-10 (FGS 600-10) | 600 | 470 | 10 | Vyztužený ferit | 200-230 |
Výhodou litiny s kuličkovým grafitem ve srovnání s ocelí je zejména vyšší poměr mechanické odolnosti / hmotnosti, který umožňuje vyrábět lehčí součásti, lepší obrobitelnost , možnost téměř úplné recyklace (součásti odlévané do litiny jsou recyklovatelné výrobky), nižší energetické náklady na tavení a skutečnost, že litina není toxická.
Hlavní použitíLitina, ve které je grafit ve formě mezi lamelami a kuličkami (žádný vrubový efekt grafitu). Tato konkrétní mikrostruktura se získává přidáním hořčíku s nižším obsahem než u litin s sféroidním grafitem (obecně kolem 0,020% oproti minimu 0,035% pro FGS) do litiny s velmi nízkým obsahem síry. Je také možné získat tento typ litiny vycházením z litiny s kuličkovým grafitem a blokováním transformace grafitových semen dodáváním velmi nízkých dávek titanu, což umožňuje, aby byl při lití povolen větší rozsah. tato metoda se však dnes téměř nepoužívá, protože přidání titanu vedlo k tvorbě titankarbonitridů velmi vysoké tvrdosti, což silně penalizovalo obrábění. Mikrostruktura vermikulární litiny kombinuje výhody lamelární litiny (tekutost, absorpce vibrací) bez nevýhod (křehkost) a výhody litiny GS (mechanická odolnost). Hlavní nevýhodou je obtížnost získání požadované struktury a kontroly, zda byla tato struktura získána.
Mechanické vlastnosti jsou:Označení | R m (MPa) | R p0,2 (MPa) | NA% | Struktura matice | Tvrdost (HB) |
---|---|---|---|---|---|
EN-GJV-350-7 (FGV 350-7) | 350 | 220 | 7 | Ferit-perlit | <200 |
Evropská norma EN 1560 uvádí:
Starý francouzský standard NF A 02-001 uváděl:
Příklady:
Litina se používá pro všechny typy mechanických dílů. Většina dílů se získává nalitím tekutého kovu do forem na křemičitý písek (viz odlévání ).
Fonty lze implementovat:
Kontinuální lití umožňuje získat litinu s jemnou strukturou, aplikacemi jsou hydraulický průmysl (hydraulický rozvaděč atd.), Sklářský průmysl, jednoduchá mechanická část atd.
Slévárny litiny a oceli (2017, roč. 100F) byly uznány jako nízký / střední rizikový faktor pro rakovinu plic .
Termín litina se někdy používá k označení jiných slitin, všechna tato použití jsou nesprávná :