Formbart støbejern

Smedbart ( latin temperare , moderat ' ) er en støbejern typen indstillinger, som på grund af deres kemiske sammensætning og størkningsprocessen ifølge de metastabile systemets jern-carbon diagram størkner Grafit og som for tiden hårdt , skørt opstår Temperrohguss i formen . En efterfølgende varmebehandling , hærdningen , forårsager en strukturel transformation. Den cementit i den støbte struktur er kun foretaget for at sønderdeles efter en særlig lang annealing tid. Den resulterende grafit er kendt som tempereret kulstof og er kendetegnet ved sin karakteristiske nodulære form. På grund af denne form forstyrrer de hærdede kulstofflager ikke forholdet mellem den metalliske basismasse og med en potentiel hakeffekt, da grafitlamellerne i støbejern med lamellær grafit . Dette er hovedårsagen til, at formbart støbejern har bedre mekaniske egenskaber end normalt støbejern med lamellgrafit og derfor kan beskrives som hårdt og let bearbejdeligt. Det smidbare støbejern er opdelt i sort og hvidt formbart støbejern baseret på udseendet af bruddet.

Formbart støbejern

Strukturen af ​​det formbare støbejern består af perlit og ledeburit. Det opnås ved at justere den kemiske sammensætning afhængigt af vægtykkelsen på de dele, der skal støbes. For alle typer formbart støbejern er summen af ​​kulstof- og siliciumindholdet på 3,7 til 3,8 procent afgørende. Med højt siliciumindhold og i stærke, langsomt afkølende dele udfældes grafit ofte under størkning. Disse lameller, der er arrangeret som reder, fører til uheldigt brud. Afluftningstemperaturen har en sådan indflydelse på makrostrukturen, fordi jo højere den er, jo mere indfødte eller fremmede bakterier smeltes og smelten størkner eksogent . Højt kulstofindhold (2,6%) forårsager også eksogen størkning af den primære austenit.

Hvid formbart støbejern

standardisering

Det hvide formbare støbejern er standardiseret i DIN 1692 (gammel) og i DIN EN 1562 (nyt siden 09.97). Det gamle korte navn er GTW, og det nye er GJMW. Forkortelsen består af (EN-) GJ for støbejern, M for ( formbart støbejern: glødende jern) og W for ( hvid: hvid). Blandt andet skal mekaniske egenskaber og / eller kemisk sammensætning tilføjes til forkortelsen. Om nødvendigt kan yderligere krav specificeres, for eksempel EN-GJMW-350. Fem typer er registreret i DIN EN 1562:

Forkortelse *** nummer Prøve diameter mindste trækstyrke R m minimumsforlængelse A 3.4 minimum flydespænding R p0.2
EN-GJMW-350-4 (GTW-35-04) EN-JM1010 6 mm 270 N / mm² 10% ka *
9 mm 310 N / mm² 5% ka
12 mm 350 N / mm² 4% ka
15 mm 360 N / mm² 3% ka
EN-GJMW-360-12 (GTW-S38-12) ** EN-JM1020 6 mm 280 N / mm² 16% ka *
9 mm 320 N / mm² 15% 170 N / mm²
12 mm 360 N / mm² 12% 190 N / mm²
15 mm 370 N / mm² 7% 200 N / mm²
EN-GJMW-400-5 (GTW-40-05) EN-JM1030 6 mm 300 N / mm² 12% ka *
9 mm 360 N / mm² 8.% 200 N / mm²
12 mm 400 N / mm² 5% 220 N / mm²
15 mm 420 N / mm² 4% 230 N / mm²
EN-GJMW-450-7 (GTW-45-07) EN-JM1040 6 mm 330 N / mm² 12% ka *
9 mm 400 N / mm² 10% 230 N / mm²
12 mm 450 N / mm² 7% 260 N / mm²
15 mm 480 N / mm² 4% 280 N / mm²
EN-GJMW-550-4 (GTW-55-04) EN-JM1050 6 mm ka ka ka *
9 mm 490 N / mm² 5% 310 N / mm²
12 mm 550 N / mm² 4% 340 N / mm²
15 mm 570 N / mm² 3% 350 N / mm²
* På grund af vanskeligheder med at bestemme flydespændingen på små prøver skal værdierne og målemetoden aftales mellem producenten og køberen.
** Mest egnet til svejsning
*** Oplysninger i parentes i henhold til gamle DIN 1692

Kemisk sammensætning

Retningslinjer for den kemiske sammensætning af formbart støbejern

Kulstof og silicium skal matches med hinanden (summen af ​​kulstof og silicium bør ikke overstige 3,8%), så selv de tykkeste tværsnit af et formbart støbejern har en hvid, grafitfri struktur efter størkning.

Fremstilling (hærdning)

For at opnå et hvidt formbart støbejern udglødes det formbare støbejern (hypoeutektisk hvidt støbejern ) ("annealing"). Dette reducerer stort set kulstofindholdet i støbningen. Dette gør støbningen lidt hårdere i kantområdet. Den rå støbning udglødes ved 1000 ° C i ca. 60-120 timer i en oxiderende atmosfære (hærdet i en gasstrøm). Følgende reaktioner finder sted:

  • Reaktion 1 (inde i støbningen):
    Fe 3 C → 3Fe + C
  • Reaktion 2 (på overfladen af ​​støbningen):
    C + O 2 → CO 2
  • Reaktion 3 (faktisk afkalkning - selvkørende proces)
    CO 2 + C → 2CO til dette kommer igen O 2 + 2CO → 2CO 2

Den cementit (Fe 3 C) af de støbning fordeler sig med tre jern- og en carbonatomer i den første reaktion. Dette kulstof reagerer med iltet på støbefladen og trækkes derved ud af støbningen (reaktion 2). I løbet af stræben efter at udligne koncentrationen fortsætter kulstof fra støbningen med at diffundere til kanten af ​​støbningen og kombineres med iltet i den omgivende luft. Dette afkalber gradvist arbejdsemnet (reaktion 3). Samtidig agglomerater det resterende kulstof i kernen af ​​de støbende agglomerater til dannelse af knuder af hærdet kulstof. Afkolning af emnet er stærkt afhængig af varigheden af ​​hærdningsprocessen og støbtets vægtykkelse. Ensartet afkulning kun forekommer med en vægtykkelse på 2-3 mm, med tykkere støbegods kun kant afkulning og nedbrydningen af cementit (Fe 3 C) i jern og anløbet carbon finder sted.

Struktur dannelse

Hvidt formbart støbejern V = 100: 1

Strukturen af ​​det hvide formbare støbejern med vægtykkelser under 3 mm består af en ferritisk matrix og meget lidt eller ingen knuder af hærdet kulstof (i midten). Med vægtykkelser over 3 mm er strukturen af ​​det hvide formbare støbejern opdelt i tre områder:

  • Den afkølede kantzone, der består af ferrit. Overfladen indeholder ofte en grænse blandet med oxider.
  • Overgangsområdet, der består af en ferritisk - perlitisk grundmatrix og nogle hærdede kulstofknuder.
  • Kernezonen, der består af en pearlitisk basismatrix og små hærdede kulstofknuder.

Dekarburiseringsdybden bestemmes ved hjælp af en udglødet kileprøve. Deres metallografiske polerede sektion giver information om strukturdannelsen. I tilfælde af ukorrekt temperering kan der opstå strukturelle defekter. For eksempel kan grafit reden føre til såkaldt "foul breakage", de blev skabt i den rå støbning. Dekarburisering kan også forekomme, hvor carbider aflejres på ferritkanten i form af sekundær cementit, muligvis ledeburit .

Egenskaber og anvendelse

Formbare støbejernsmaterialer foretrækkes på grund af den processekvens, der anvendes til fremstilling af støbning. Stykvægtens begrænsning fra et par gram til 100 kg skyldes fremstillingsprocessen. Det samme gælder for den maksimale vægtykkelse på 20-30 mm. De trækstyrke stiger med vægtykkelsen, som de perlit indhold stiger. Passende tempereringsbehandlinger justerer de kvalitetsbestemmende egenskaber med stor nøjagtighed og høj ensartethed (fx stramme, hårdeste områder, god bearbejdelighed , høj styrke og god støbbarhed , også svejsbar og galvaniserbar ).

Egenskaberne af det hvide formbare støbejern afhænger af vægtykkelsen. De er opdelt i:

  • mekaniske egenskaber såsom:
    • god brudforlængelse (afhængig af vægtykkelse)
    • god trækstyrke (øges med procentdelen af ​​perlit)
    • god træthedsstyrke
    • let tilgivelig, formbar
    • høj sejhed
  • fysiske egenskaber såsom:
    • god bearbejdelighed
    • god svejseadfærd
    • let at galvanisere
    • høj overfladekvalitet
    • god korrosionsbestandighed (på grund af oxidlag i kantzonen)
    • kan hærdes termokemisk ( tilfælde hærdning )

Ansøgning

Tynde vægge støbte dele med god udmattelsesstyrke til bearbejdning på overførselslinjer; På grund af sin duktilitet bruges den til komponenter, der udsættes for dynamiske belastninger (oscillerende eller ryk) og skal kunne modstå høje mekaniske kræfter (chassis og styredele i motorkøretøjer, sikkerhedskomponenter, der kræver dokumentation, justering og fastgørelseselementer til kredsløbskonstruktion) ; Fittings og fittings til rørledningskonstruktion, mange komponenter til den elektriske industri på grund af deres termiske, elektriske og magnetiske egenskaber; bærende elementer af højspændings- og luftledninger; Omskifter-, kontrol- og transmissionselementer i maskin- og landbrugsmaskiner På grund af den gode støbbarhed og muligheden for meget tyndvæggede konstruktioner med reproducerbar nøjagtighed skal egenskaber nævnes; Til fremstilling af låse og beslag; Smidbare emner i støbejern tilbyder en bred vifte af muligheder for at skabe specifikke egenskaber specifikt i det komponentområde, hvor de er påkrævet (har erstattet mange andre materialer).

Sort formbart støbejern

standardisering

Det sorte formbare støbejern er også standardiseret i DIN EN 1562. Den gamle forkortelse GTS er også blevet erstattet og er GJMB, GJ står for støbejern, M for "formbart støbejern" og B står for "sort".

Kemisk sammensætning

Formbart støbejern har generelt en hypoeutektisk sammensætning. På grund af den metastabile størkning af støbejern, carbon er til stede i bundet form som cementit (Fe 3 C), og er derfor grafit-fri. Det formbare støbejern har en sølvhvid brudstruktur og er hård og skør, hvilket gør det praktisk talt uegnet til teknisk brug. Hærdning får cementitten til at gå i opløsning og opløses i den grundlæggende struktur, som består af austenit ved udglødningstemperaturen. Det smeltede jern, der bruges til at fremstille sort formbart støbejern, har følgende sammensætning:

  • Kulstof: 2–2,9%
  • Silicium: 1,2-1,5% (relativt højt)
  • Mangan: 0,4-0,6%
  • Svovl: 0,12-0,18%
  • Fosfor: ca. 0,1%

Kulstofindholdet er lavere, og Si-indholdet højere end i hvidt formbart støbejern.

Fremstilling

Til produktion, råjern , skrot, ferrolegeringer og cirkulerende materiale (fra støbningen og gate system i de støbte emner) først føres ind i kupolovn (med et varmt blast) til præ- smeltning . For at indstille den krævede støbtemperatur og den kemiske sammensætning er lysbueovnen eller induktionsovnen tilsluttet nedstrøms (duplexproces).
Annealing foregår i to faser i en neutral atmosfære. På grund af den neutrale atmosfære afkøles støbejernet ikke. På grund af det høje kulstof- og siliciumindhold nedbrydes cementitten fuldstændigt i ferrit og hærdet kulstof: Fe 3 C → 3Fe + C.

Det hærdende kulstof skabes ved udfældning af elementært kulstof under udglødning i form af knuder eller flager. Udseendet af disse noder afhænger af mangan-svovlforholdet. Som et resultat opnår materialet duktilitetsegenskaber, der ligner stål.
Den første fase af denne varmebehandling kaldes også det første grafitiseringsfase. Eutektiske carbider nedbrydes og opløses i den grundlæggende struktur (austenit) ved 940-960 ° C i en periode på ca. 20 timer. Som nævnt ovenfor udfældes elementært kulstof også som udglødningsknuder. Strukturen består nu af austenit og hærdet kulstof.

I det andet trin, som også er kendt som det andet grafitiseringstrin, bestemmes den grundlæggende struktur. For at starte det andet trin sænkes temperaturen til ca. 800 ° C. Hvis temperaturen derefter langsomt afkøles (ved 3-5 ° C i timen) mellem 800 og 700 ° C, eller hvis temperaturen holdes mellem 760 og 680 ° C i flere timer, opstår en stabil eutektoid transformation. γ → α + C
Kulstoffet har således mulighed for at diffundere fra austenit til det allerede eksisterende hærdede kulstof og blive en del af det. Strukturen består derefter af ferrit (matrix) og grafit og eventuelle rester af perlit. Det hærdende kulstof fordeles jævnt over hele tværsnittet af prøven. Materialet er meget blødt og består af ferrit og grafit. Eksempel: GJMB - 350 Under hurtig afkøling mellem 800 og 700 ° C i luften føres eutektoidområdet hurtigt igennem, og der dannes en eutektoid metastabil størknet struktur af perlit.

Hurtig afkøling skaber en martensitisk struktur. Efter temperering kan den stadig tempereres . For eksempel produceres GJMB - 700 ved 600 ° C, ved 700 ° C GJMB - 450. Ved 620 ° C dannes perlit (kugleformet cementit).

Et kendetegn ved sort formbart støbejern er, at strukturen er uafhængig af vægtykkelsen bortset fra en smal kantzone, 0,2 mm dyb uden hærdet kulstof på grund af den ikke-afkalkende udglødning.

Struktur dannelse

I det første udglødningstrin opløses ledburitets cementit ved 950 ° C i austenit og hærdet kulstof. I løbet af det andet udglødningstrin nedbrydes austenitten i ferrit og hærdet kulstof. Grundstrukturen afhænger af kølehastigheden i det eutektoide område.

  • Ferritisk grundstruktur
    Ved langsom afkøling mellem 700 og 800 ° C (for detaljer se produktion) finder eutektoid transformation sted under stabile forhold. γ → α + C
    Ferritet danner matrixen, og det hærdende kulstof fordeles jævnt, hvis omtrent de samme kølebetingelser anvendes i alle områder af prøven. Jo mindre mangan og svovl der er, jo mere kompakt er det hærdede kulstof. Mangan og svovl forhindrer grafitten i at agglomere i en sfærisk form, hvilket resulterer i den takkede og nodulære dannelse af det hærdede kulstof.
  • Perlitisk grundstruktur
    Ved opvarmning til 700-800 ° C, hurtig afkøling (tidligere slukning, se produktion) størkner materialet metastabelt til perlit. γ → α + Fe 3 C. Her udgør perlit den grundlæggende struktur. Selv med denne størkning kan hærdet kulstof designes forskelligt.
  • Martensitisk grundstruktur
    Når den køler ned meget hurtigt, opstår den martensitiske struktur. Diffusionen undertrykkes af den meget høje kølehastighed. Den delvise sammenbrud af rumgitteret skaber et gitter, der er forvrænget og spændt af kulstof, og martensit oprettes. Hærdningsstrukturen er skabt ved temperering af den martensitiske struktur eller ved kontrolleret afkøling på denne struktur.
  • Blandet struktur
    kan også opstå ferritisk-perlitisk struktur. Dette sker, når den eutektiske størkning er delvis stabil og metastabil. Smelt → γ + C (stabil) og smelt → γ + Fe 3 C (metastabilt).

Den eutektoide transformation er metastabil igen. En struktur med en anden mængde perlit og ferrit og hærdet kulstof kan forventes afhængigt af kølehastigheden. Det hærdende trækul kan have forskellige former, størrelser og arrangementer.

Egenskaber og anvendelse

Rørbeslag i sort formbart støbejern (GJMB)

Generelt har sort formbart støbejern god støbbarhed, det er også lettere at bearbejde end GJMW (se Bearbejdelighed af støbejern ), hærdbart, varmebehandlet og overfladehærdbart (til hærdning af flammer og induktion). Det bruges blandt andet til stempler, gear, motordele og tykvæggede komponenter såsom motorhuse.

  • Ferritic GJMB-350
    Selvom denne struktur har moderat sejhed, har den god duktilitet og fremragende bearbejdelighed. Dette materiale bruges, hvor der er krav til bearbejdelighed. Den er velegnet til termofysisk hærdning efter dobbelt opvarmning. Materialets hårdhed svarer til ≤ 150 HBW 30, hvilket svarer til ≤ 160 HV10.
  • Pearlitic GJMB-450
    Dette materiale har bedre styrke og lignende sejhed som GJMB-350. Hærdning op til 600 HV10 er mulig efter forudgående dobbeltopvarmning. Materialets hårdhed svarer til 150–200 HBW 30, hvilket svarer til 160–210 HV10.
  • GJMB-550 Bearbejdeligheden
    af dette materiale er ikke så god som for de tidligere strukturer. Men hvis du sammenligner det med et smedet stål med samme styrke, er det fremragende. Termofysisk hærdning er endda mulig her uden dobbelt opvarmning på forhånd. Materialets hårdhed svarer til 180-230 HBW 30, hvilket svarer til 190-240 HV10.
  • GJMB-650
    Styrke er det vigtigste krav her. Dette materiale har kort sprøde chips. Alternativt kan den bruges til smedet stål. Materialets hårdhed svarer til 210-260 HBW 30, hvilket svarer til 220-270 HV10.
  • GJMB-700 hærdningsstruktur De
    samme egenskaber og anvendelser som til GJMB-650. Materialets hårdhed svarer til 240–290 HBW 30, hvilket svarer til 250–300 HV10.

litteratur

  • Formbart støbejern - et duktilt støbejernsmateriale. Federal Association of the German Foundry Industry, teknisk publikation, 2011
  • Hermann Schumann, Heinrich Oettel: Metallografi. 14. udgave, Wiley-VCH Verlag.

Weblinks