Серый чугун
| Стали |
|---|
 |
| Фазы |
| Микроструктуры |
| Классы |
| Другие материалы на основе железа |
Серый чугун , или серый чугун , — это тип чугуна , имеющий графитовую микроструктуру. Он назван в честь серого цвета образуемого им излома , который обусловлен наличием графита. [1] Это наиболее распространенный чугун и наиболее широко используемый литой материал по весу. [2]
Он используется для корпусов, где жесткость компонента важнее его прочности на разрыв , таких как блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания , корпуса насосов , корпуса клапанов, электрические коробки и декоративное литье . Высокая теплопроводность и удельная теплоемкость серого чугуна часто используются для изготовления чугунной посуды и роторов дисковых тормозов . [3]
Его прежнее широкое применение [ уточнить ] на тормозах грузовых поездов было значительно сокращено в Европейском Союзе из-за опасений по поводу шумового загрязнения . [4] [5] [6] [7] Например, Deutsche Bahn заменила тормоза из серого чугуна на 53 000 своих грузовых вагонов (85% своего парка) на более новые, более тихие модели к 2019 году — отчасти для соблюдения закона, вступившего в силу в декабре 2020 года. [8] [9] [10]
Структура
Типичный химический состав для получения графитовой микроструктуры составляет от 2,5 до 4,0% углерода и от 1 до 3% кремния по весу. Графит может занимать от 6 до 10% объема серого чугуна. Кремний важен для изготовления серого чугуна в отличие от белого чугуна , поскольку кремний является элементом, стабилизирующим графит в чугуне, что означает, что он помогает сплаву производить графит вместо карбидов железа ; при 3% кремния почти никакой углерод не удерживается в химической форме в виде карбида железа. Другим фактором, влияющим на графитизацию , является скорость затвердевания; чем медленнее скорость, тем больше времени требуется углероду для диффузии и накопления в графите. Умеренная скорость охлаждения образует более перлитную матрицу, в то время как быстрая скорость охлаждения образует более ферритную матрицу. Для достижения полностью ферритной матрицы сплав должен быть отожжен . [1] [11] Быстрое охлаждение частично или полностью подавляет графитизацию и приводит к образованию цементита , который называется белым чугуном . [12]
Графит принимает форму трехмерной чешуйки. В двух измерениях, как полированная поверхность, графитовые чешуйки выглядят как тонкие линии. Графит не имеет заметной прочности, поэтому их можно рассматривать как пустоты. Кончики чешуек действуют как уже существующие выемки, в которых концентрируются напряжения, и поэтому они ведут себя хрупко . [ 12] [13] Наличие графитовых чешуек делает серый чугун легко обрабатываемым, поскольку они имеют тенденцию легко растрескиваться поперек графитовых чешуек. Серый чугун также имеет очень хорошую демпфирующую способность, и поэтому его часто используют в качестве основания для креплений станков.
Классификации
В Соединенных Штатах наиболее часто используемой классификацией для серого чугуна является стандарт ASTM International A48. [2] Он упорядочивает серый чугун по классам , которые соответствуют его минимальной прочности на растяжение в тысячах фунтов на квадратный дюйм (ksi); например, серый чугун класса 20 имеет минимальную прочность на растяжение 20 000 фунтов на квадратный дюйм (140 МПа). Класс 20 имеет высокий углеродный эквивалент и ферритную матрицу. Серые чугуны более высокой прочности, до класса 40, имеют более низкие углеродные эквиваленты и перлитную матрицу. Серый чугун выше класса 40 требует легирования для обеспечения упрочнения твердого раствора , а для изменения матрицы используется термическая обработка . Класс 80 является наивысшим доступным классом, но он чрезвычайно хрупкий. [12] ASTM A247 также обычно используется для описания структуры графита. Другие стандарты ASTM, которые имеют дело с серым чугуном, включают ASTM A126, ASTM A278 и ASTM A319. [2]
В автомобильной промышленности для обозначения марок вместо классов используется стандарт SAE International (SAE) SAE J431. Эти марки являются мерой отношения предела прочности к твердости по Бринеллю . [2] Изменение модуля упругости при растяжении различных марок является отражением процентного содержания графита в материале, поскольку такой материал не обладает ни прочностью, ни жесткостью, а пространство, занимаемое графитом, действует как пустота, тем самым создавая губчатый материал.
| Сорт | Прочность на растяжение (тыс.фунтов на кв.дюйм) | Прочность на сжатие (тыс.фунтов на кв.дюйм) | Модуль упругости при растяжении, E ( Мфунт/кв. дюйм ) |
|---|---|---|---|
| 20 | 22 | 83 | 10 |
| 30 | 31 | 109 | 14 |
| 40 | 57 | 140 | 18 |
| 60 | 62,5 | 187,5 | 21 |
| Оценка | Твёрдость по Бринеллю | т/ч † | Описание |
|---|---|---|---|
| Г1800 | 120–187 | 135 | Ферритно-перлитный |
| Г2500 | 170–229 | 135 | Перлитно-ферритный |
| G3000 | 187–241 | 150 | Перлитный |
| Г3500 | 207–255 | 165 | Перлитный |
| G4000 | 217–269 | 175 | Перлитный |
| † т/ч = прочность на растяжение/твердость | |||
Преимущества и недостатки
Серый чугун является распространенным конструкционным сплавом из-за его относительно низкой стоимости и хорошей обрабатываемости , которая является результатом того, что графит смазывает рез и разбивает стружку. Он также имеет хорошую стойкость к истиранию и износу , поскольку графитовые чешуйки самосмазываются. Графит также придает серому чугуну отличную демпфирующую способность, поскольку он поглощает энергию и преобразует ее в тепло. [3] Серый чугун нельзя обрабатывать (ковать, прессовать, прокатывать и т. д.) даже при температуре.
| Материалы | Демпфирующая способность † |
|---|---|
| Серый чугун (высокий углеродный эквивалент ) | 100–500 |
| Серый чугун (низкий углеродный эквивалент) | 20–100 |
| Ковкий чугун | 5–20 |
| Ковкий чугун | 8–15 |
| Белое железо | 2–4 |
| Сталь | 4 |
| Алюминий | 0,47 |
| † Натуральный логарифм отношения последовательных амплитуд | |
Серый чугун также испытывает меньшую усадку при затвердевании , чем другие чугуны, которые не образуют графитовую микроструктуру. Кремний способствует хорошей коррозионной стойкости и повышенной текучести при литье. [12] Серый чугун обычно считается легко свариваемым. [16] По сравнению с более современными железными сплавами, серый чугун имеет низкую прочность на разрыв и пластичность ; поэтому его ударопрочность и стойкость к ударам практически отсутствуют. [16]
Смотрите также
Примечания
- ^ ab Смит и Хашеми 2006, стр. 431.
- ^ abcd Швейцер 2003, стр. 72.
- ^ ab "Введение в металлургию тормозного ротора из серого чугуна" (PDF) . SAE . Получено 24.05.2011 .
- ^ "Меры по снижению шума на текущем подвижном составе". Комиссия Европейских Сообществ (pdf) (на немецком языке). 8 июля 2008 г.
- ^ Томас, Питер. «Gegen Lärm von Güterzügen: Mit Flüsterbremse und Schallschutzwand». Фаз.нет .
- ^ Томас, Питер. «Bahnverkehr: Gegen den Lärm der Güterzüge - Technik & Motor - FAZ» . Фаз.нет .
- ^ "Schienenverkehr ist deutlich leiser geworden | Allianz pro Schiene" . 12 ноября 2021 г.
- ^ "Прогресс DB в снижении уровня шума при грузовых железнодорожных перевозках | Railway-News". 23 апреля 2019 г.
- ^ "Для малошумных грузовых поездов: мобильные сервисные бригады заменяют тормозные колодки в любом месте". www.db-fzi.com . Архивировано из оригинала 2021-11-16 . Получено 2021-11-16 .
- ^ "Закон о снижении уровня шума на железной дороге | Deutsche Bahn AG". Архивировано из оригинала 2023-02-06 . Получено 2021-11-16 .
- ^ Смит и Хашеми 2006, стр. 432.
- ^ abcd Дегармо, Блэк и Кошер 2003, стр. 77.
- ^ Дегармо, Блэк и Кошер 2003, стр. 76.
- ^ Швейцер 2003, стр. 73.
- ^ "Механические свойства серого чугуна - Демпфирующая способность". www.atlasfdry.com .
- ^ ab Miller, Mark R. (2007), Руководство по подготовке к экзамену на получение лицензии сварщика, McGraw-Hill Professional, стр. 191, ISBN 9780071709972.
Ссылки
- Дегармо, Э. Пол; Блэк, Дж. Т.; Кохсер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, ISBN 9780471033066.
- Швейцер, Филип А. (2003), Металлические материалы, CRC Press, ISBN 9780203912423.
- Смит, Уильям Ф.; Хашеми, Джавад (2006), Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.), McGraw-Hill, ISBN 9780072921946.
Дальнейшее чтение
- Стефанеску, Дору Михаэль (2002), Наука и техника затвердевания литья, Springer, ISBN 978-0-306-46750-9.
