Uloga uobičajenih elemenata u sivom ljevu
1. Ugljik i silicij: Ugljik i silicij su elementi koji snažno potiču grafitizaciju. Ekvivalent ugljika može se koristiti za ilustraciju njihovih učinaka na metalografsku strukturu i mehanička svojstva sivog lijeva. Povećanje ekvivalenta ugljika uzrokuje grublje grafitne ljuskice, povećanje broja i smanjenje čvrstoće i tvrdoće. Naprotiv, smanjenje ugljikovog ekvivalenta može smanjiti broj grafita, pročistiti grafit i povećati broj primarnih austenitnih dendrita, čime se poboljšavaju mehanička svojstva sivog lijeva. Međutim, smanjenje ekvivalenta ugljika dovest će do smanjenja učinkovitosti lijevanja.
2. Mangan: sam mangan je element koji stabilizira karbide i sprječava grafitizaciju. Ima učinak stabilizacije i pročišćavanja perlita u sivom ljevu. U rasponu od Mn=0,5% do 1,0%, povećanje količine mangana je pogodno za poboljšanje čvrstoće i tvrdoće.
3. Fosfor: Kada sadržaj fosfora u lijevanom željezu premaši 0,02%, može doći do intergranularne eutektike fosfora. Topljivost fosfora u austenitu je vrlo mala. Kada se lijevano željezo skrutne, fosfor uglavnom ostaje u tekućini. Kada je eutektičko skrućivanje gotovo završeno, sastav preostale tekuće faze između eutektičkih skupina je blizak ternarnom eutektičkom sastavu (Fe-2%, C-7%, P). Ova tekuća faza očvrsne na oko 955 ℃. Kada se lijevano željezo skrutne, molibden, krom, volfram i vanadij se odvajaju u tekuću fazu bogatu fosforom, povećavajući količinu fosforne eutektike. Kada je sadržaj fosfora u lijevanom željezu visok, osim štetnih učinaka same fosforne eutektike, također će se smanjiti legirni elementi sadržani u metalnoj matrici, čime će se oslabiti učinak legirnih elemenata. Fosforna eutektička tekućina je kašasta oko eutektičke skupine koja se skrućuje i raste, i teško ju je nadoknaditi tijekom skrućivanja skupljanja, a odljevak ima veću tendenciju skupljanja.
4. Sumpor: Smanjuje fluidnost rastaljenog željeza i povećava sklonost odljevaka pucanju vrućim. To je štetan element u odljevcima. Stoga mnogi misle da što je manji sadržaj sumpora, to bolje. Zapravo, kada je sadržaj sumpora ≤0,05%, ova vrsta lijevanog željeza ne radi za obični inokulant koji koristimo. Razlog je što cijepljenje vrlo brzo propada, a na odljevcima se često pojavljuju bijele mrlje.
5. Bakar: Bakar je najčešće dodani legirajući element u proizvodnji sivog lijeva. Glavni razlog je to što bakar ima nisko talište (1083 ℃), lako se topi i ima dobar učinak legiranja. Sposobnost grafitizacije bakra je oko 1/5 sposobnosti silicija, tako da može smanjiti tendenciju lijevanog željeza da ima bijeli odljev. U isto vrijeme, bakar također može smanjiti kritičnu temperaturu transformacije austenita. Stoga bakar može pospješiti stvaranje perlita, povećati sadržaj perlita i pročistiti perlit te ojačati perlit i ferit u njemu, čime se povećava tvrdoća i čvrstoća lijevanog željeza. Međutim, što je veća količina bakra, to bolje. Odgovarajuća količina dodanog bakra je 0,2% do 0,4%. Kada se dodaje velika količina bakra, dodavanje kositra i kroma u isto vrijeme štetno je za učinak rezanja. To će uzrokovati stvaranje velike količine sorbitne strukture u strukturi matrice.
6. Krom: Učinak legiranja kroma je vrlo jak, uglavnom zato što dodatak kroma povećava tendenciju rastaljenog željeza da ima bijeli odljev, a odljev se lako skuplja, što rezultira otpadom. Stoga treba kontrolirati količinu kroma. S jedne strane, nadamo se da rastaljeno željezo sadrži određenu količinu kroma kako bi se poboljšala čvrstoća i tvrdoća odljevka; s druge strane, krom je strogo kontroliran na donjoj granici kako bi se spriječilo skupljanje odljevka i povećanje stope otpada. Tradicionalno iskustvo kaže da kada sadržaj kroma u izvornom rastaljenom željezu prijeđe 0,35%, to će imati fatalan učinak na odljevak.
7. Molibden: Molibden je tipičan element koji stvara spojeve i snažan stabilizirajući element za perlit. Može pročistiti grafit. Kada je ωMo<0,8%, molibden može pročistiti perlit i ojačati ferit u perlitu, čime se učinkovito poboljšava čvrstoća i tvrdoća lijevanog željeza.
Treba napomenuti nekoliko problema u sivom lijevanom željezu
1. Povećanje pregrijavanja ili produženje vremena zadržavanja može uzrokovati nestanak postojećih heterogenih jezgri u talini ili smanjiti njihovu učinkovitost, smanjujući broj austenitnih zrnaca.
2. Titan ima učinak pročišćavanja primarnog austenita u sivom lijevanom željezu. Budući da titanovi karbidi, nitridi i karbonitridi mogu poslužiti kao osnova za nukleaciju austenita. Titan može povećati jezgru austenita i pročistiti zrna austenita. S druge strane, kada postoji višak Ti u rastaljenom željezu, S u željezu će reagirati s Ti umjesto Mn i formirati čestice TiS. Grafitna jezgra TiS nije tako učinkovita kao ona od MnS. Zbog toga se odgađa stvaranje eutektičke grafitne jezgre, čime se povećava vrijeme taloženja primarnog austenita. Vanadij, krom, aluminij i cirkonij slični su titanu po tome što lako tvore karbide, nitride i karbonitride i mogu postati austenitne jezgre.
3. Postoje velike razlike u učincima različitih inokulanata na broj eutektičkih klastera koji su poredani sljedećim redoslijedom: CaSi>ZrFeSi>75FeSi>BaSi>SrFeSi. FeSi koji sadrži Sr ili Ti ima slabiji učinak na broj eutektičkih klastera. Najbolji učinak imaju inokulanti koji sadrže rijetke zemlje, a učinak je značajniji kada se dodaju u kombinaciji s Al i N. Ferosilicij koji sadrži Al i Bi može snažno povećati broj eutektičkih klastera.
4. Zrnca grafitno-austenitnog dvofaznog simbiotskog rasta formirana s jezgrama grafita kao središtem nazivaju se eutektički klasteri. Submikroskopski agregati grafita, zaostale neotopljene čestice grafita, grane primarnih grafitnih ljuskica, spojevi s visokim talištem i plinske inkluzije koje postoje u rastaljenom željezu i mogu biti jezgre eutektičkog grafita također su jezgre eutektičkih nakupina. Budući da je eutektička jezgra početna točka rasta eutektičkog klastera, broj eutektičkih klastera odražava broj jezgri koje mogu prerasti u grafit u eutektičkoj tekućini željeza. Čimbenici koji utječu na broj eutektičkih nakupina uključuju kemijski sastav, stanje jezgre rastaljenog željeza i brzinu hlađenja.
Količina ugljika i silicija u kemijskom sastavu ima važan utjecaj. Što je ekvivalent ugljika bliži eutektičkom sastavu, to je više eutektičkih klastera. S je još jedan važan element koji utječe na eutektičke klastere sivog lijeva. Nizak sadržaj sumpora ne pogoduje povećanju eutektičkih nakupina, jer je sulfid u rastaljenom željezu važna tvar grafitne jezgre. Osim toga, sumpor može smanjiti međufaznu energiju između heterogene jezgre i taline, tako da se može aktivirati više jezgri. Kada je W(S) manji od 0,03%, broj eutektičkih klastera je značajno smanjen, a učinak inokulacije smanjen.
Kada je maseni udio Mn unutar 2%, količina Mn se povećava, a time i broj eutektičkih nakupina. Nb je lako generirati spojeve ugljika i dušika u rastaljenom željezu, koje djeluje kao grafitna jezgra za povećanje eutektičkih nakupina. Ti i V smanjuju broj eutektičkih klastera jer vanadij smanjuje koncentraciju ugljika; titan lako hvata S u MnS i MgS da formira titanijev sulfid, a njegova sposobnost nukleacije nije tako učinkovita kao MnS i MgS. N u rastaljenom željezu povećava broj eutektičkih nakupina. Kada je sadržaj N manji od 350 x10-6, to nije očito. Nakon prekoračenja određene vrijednosti pojačava se prehlađenje, čime se povećava broj eutektičkih nakupina. Kisik u rastaljenom željezu lako stvara različite oksidne uključke kao jezgre, pa kako se kisik povećava, povećava se i broj eutektičkih nakupina. Uz kemijski sastav, stanje jezgre eutektičke taline važan je čimbenik utjecaja. Održavanje visoke temperature i pregrijavanje dulje vrijeme uzrokovat će nestanak ili smanjenje izvorne jezgre, smanjiti broj eutektičkih nakupina i povećati promjer. Tretman inokulacijom može znatno poboljšati stanje jezgre i povećati broj eutektičkih nakupina. Brzina hlađenja ima vrlo očit učinak na broj eutektičkih nakupina. Što je brže hlađenje, to je više eutektičkih nakupina.
5. Broj eutektičkih klastera izravno odražava debljinu eutektičkih zrnaca. Općenito, sitna zrna mogu poboljšati performanse metala. Pod pretpostavkom istog kemijskog sastava i tipa grafita, kako se povećava broj eutektičkih nakupina, raste i vlačna čvrstoća, jer grafitne ploče u eutektičkim nakupinama postaju finije kako se povećava broj eutektičkih nakupina, što povećava čvrstoću. Međutim, s povećanjem udjela silicija, broj eutektičkih skupina značajno raste, ali se umjesto toga smanjuje čvrstoća; čvrstoća lijevanog željeza raste s povećanjem temperature pregrijavanja (do 1500 ℃), ali u ovom trenutku broj eutektičkih skupina značajno opada. Odnos između zakona promjene broja eutektičkih skupina uzrokovanih dugotrajnim tretmanom cijepljenja i porasta čvrstoće nema uvijek isti trend. Čvrstoća dobivena inokulacijskim tretmanom s FeSi koji sadrži Si i Ba veća je od one dobivene s CaSi, ali je broj eutektičkih skupina lijevanog željeza mnogo manji nego kod CaSi. S povećanjem broja eutektičkih skupina povećava se tendencija skupljanja lijevanog željeza. Kako bi se spriječilo stvaranje skupljanja u malim dijelovima, broj eutektičkih skupina treba kontrolirati ispod 300~400/cm2.
6. Dodavanje elemenata legure (Cr, Mn, Mo, Mg, Ti, Ce, Sb) koji potiču superhlađenje u grafitiziranim inokulantima može poboljšati stupanj superhlađenja lijevanog željeza, pročistiti zrna, povećati količinu austenita i pospješiti stvaranje perlit. Dodani površinski aktivni elementi (Te, Bi, 5b) mogu se adsorbirati na površini grafitnih jezgri kako bi se ograničio rast grafita i smanjila veličina grafita, kako bi se postigla svrha poboljšanja sveobuhvatnih mehaničkih svojstava, poboljšanja ujednačenosti i povećanja organizacijske regulacije. Ovo je načelo primijenjeno u praksi proizvodnje lijevanog željeza s visokim udjelom ugljika (kao što su dijelovi kočnica).
Vrijeme objave: 5. lipnja 2024
