Ferro dúctil: propriedades, marcação e escopo

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2024-01-02 14:01

O ferro fundido é uma liga ferro-carbono dura, resistente à corrosão, mas frágil, com teor de carbono C variando de 2,14 a 6,67%. Apesar da presença de deficiências características, possui uma variedade de tipos, propriedades, aplicações. O ferro dúctil é amplamente utilizado.

Histórico

Este material é conhecido desde o século 4 aC. e. Suas raízes chinesas estão no século VI. BC e. Na Europa, a primeira menção à produção industrial da liga remonta ao século XIV e na Rússia - ao século XVI. Mas a tecnologia para a produção de ferro dúctil foi patenteada na Rússia no século XIX. Mais tarde desenvolvido por A. D. Annosov.

Como os ferros fundidos cinzentos são de uso limitado devido às baixas propriedades mecânicas, e os aços são caros e têm baixa dureza e durabilidade, surgiu a questão de criar um metal duro confiável, durável, ao mesmo tempo com maior resistência e uma certa plasticidade.

Forja de ferro fundido não é possível, mas devido às suas características dúcteis, presta-se a alguns tipos de tratamento de pressão (por exemplo, estampagem).

Produção

O caminho principal -fundição em altos-fornos.

Matéria-prima para processamento em alto-forno:

• Lote - minério de ferro contendo metal na forma de óxidos de ferro.
• Combustível - coque e gás natural.
• Oxigênio - injetado através de lanças especiais.
• Fluxos são formações químicas baseadas em manganês e (ou) silício.

Etapas do alto-forno:

1. Recuperação do ferro puro por reações químicas do minério de ferro com oxigênio fornecido através de lanças.
2. Combustão de coque e formação de óxidos de carbono.
3. Carburização de ferro puro em reações com CO e CO_2.
4. Saturação de Fe_{3C com manganês e silício, dependendo das propriedades de saída necessárias.}
5. Drenagem de metal acabado em moldes através de furos de ferro fundido; descarga de escória através de furos de escória.

Ao final do ciclo de trabalho, os altos-fornos recebem gusa, escórias e gases de alto-forno.

Produtos Metálicos de Alto Forno

Dependendo da taxa de resfriamento, microestrutura, saturação com carbono e aditivos, é possível obter vários tipos de ferro fundido:

1. Comprado (branco): carbono ligado, cementita primária. Eles são usados como matéria-prima para a fundição de outras ligas de ferro-carbono, processamento. Até 80% de toda a liga de alto-forno produzida.
2. Fundição (cinza): carbono na forma de grafite total ou parcialmente livre, ou seja, suas placas. Usado para a produção de partes do corpo de baixa responsabilidade. Até 19% das peças fundidas de alto-forno produzidas.
3. Especial: rico em ferroligas. 1-2% do tipo de produção considerado.

O ferro dúctil é obtido por tratamento térmico do ferro gusa.

Teoria das estruturas ferro-carbono

Carbono com ferro pode formar vários tipos de ligas diferentes de acordo com o tipo de rede cristalina, que é exibido na opção microestrutura.

1. Pentração de solução sólida em α-ferro - ferrita.
2. Pentração de solução sólida em γ-ferro - austenita.
3. Formação química Fe_{3C (estado ligado) – cementita. O primário é formado por resfriamento rápido de um líquido fundido. Secundário - diminuição mais lenta da temperatura, da austenita. Terciário - resfriamento gradual, a partir de ferrite.}
4. Mistura mecânica de grãos de ferrita e cementita - perlita.
5. Mistura mecânica de grãos de perlita ou austenita e cementita - ledeburita.

Os ferros fundidos possuem uma microestrutura especial. O grafite pode estar em uma forma ligada e formar as estruturas acima, ou pode estar em um estado livre na forma de várias inclusões. As propriedades são afetadas tanto pelos grãos principais quanto por essas formações. As frações de grafite em metal são placas, flocos ou bolas.

A forma lamelar é característica das ligas cinza ferro-carbono. Isso os torna frágeis e não confiáveis.

As inclusões tipo flocos possuem ferros fundidos maleáveis, que têm um efeito positivo em seu desempenho mecânico.

A estrutura esférica do grafite é ainda maismelhora a qualidade do metal, afetando o aumento da dureza, confiabilidade, exposição a cargas significativas. O ferro fundido de alta resistência tem essas características. O ferro fundido maleável determina suas propriedades por bases ferríticas ou perlíticas com a presença de inclusões de grafite em flocos.

Produção de ferro dúctil ferrítico

É produzido a partir de uma liga hipoeutetóide de porco branco de baixo carbono através do recozimento de lingotes com teor de carbono de 2,4-2,8% e a presença de aditivos correspondentes a eles (Mn, Si, S, P). A espessura das paredes das peças recozidas não deve ser superior a 5 cm. Para fundições de espessura significativa, o grafite tem a forma de placas e as propriedades desejadas não são alcançadas.

Para obter ferro dúctil com base ferrítica, o metal é colocado em caixas especiais e polvilhado com areia. Recipientes bem fechados são colocados em fornos de aquecimento. Execute a seguinte sequência de ações durante o recozimento:

1. As estruturas são aquecidas em fornos a uma temperatura de 1.000 ˚C e deixadas em temperatura constante por um período de 10 a 24 horas. Como resultado, a cementita primária e a ledeburita se desintegram.
2. O metal é resfriado a 720 ˚С junto com o forno.
3. A uma temperatura de 720 ˚С eles são mantidos por um longo tempo: de 15 a 30 horas. Essa temperatura garante a decomposição da cementita secundária.
4. No estágio final, eles são resfriados novamente junto com o fogão de trabalho a 500 ˚С e depois removidos para o ar.

Esse recozimento tecnológico é chamado de grafitização.

Após o trabalho realizado, a microestrutura do material éferrite com grãos de grafite em flocos. Esse tipo é chamado de "coração negro" porque a quebra é preta.

Produção de ferro dúctil perlítico

Este é um tipo de liga ferro-carbono, que também se origina do branco hipoeutetóide, mas o teor de carbono é aumentado: 3-3,6%. Para obter fundidos à base de perlita, eles são colocados em caixas e polvilhados com minério de ferro em pó triturado ou escamas. O procedimento de recozimento em si é simplificado.

1. A temperatura do metal é aumentada para 1.000 ˚C, mantida por 60-100 horas.
2. Desenhos frescos com forno.

Devido ao langor sob a influência do calor, a difusão ocorre no ambiente metálico: a grafite liberada na decadência da cementita sai parcialmente da camada superficial das peças recozidas, fixando-se na superfície do minério ou incrustação. Obtém-se uma camada superior mais macia, mais dúctil e dúctil de ferro dúctil "de coração branco" com um centro duro.

Tal recozimento é chamado de incompleto. Garante a desintegração da cementita e ledeburita em perlita lamelar com a grafite correspondente. Se for necessário ferro dúctil perlítico granular com maior resistência ao impacto e ductilidade, é aplicado aquecimento adicional do material até 720 ˚С. Isso resulta na formação de grãos de perlita com inclusões de grafite em flocos.

Propriedades, Marcações e Aplicações do Ferro Dúctil Ferrítico

Longo "definhamento" do metal no forno resulta na decomposição completa de cementita e ledeburita em ferrita. Graças atruques tecnológicos, é obtida uma liga com alto teor de carbono - uma estrutura ferrítica característica do aço de baixo carbono. No entanto, o carbono em si não desaparece em nenhum lugar - ele passa de um estado ligado ao ferro para um estado livre. O efeito de temperatura altera a forma das inclusões de grafite para escamosas.

A estrutura ferrítica causa uma diminuição na dureza, um aumento nos valores de resistência, a presença de características como resistência ao impacto e ductilidade.

Marcação de ferros dúcteis da classe ferrítica: KCh30-6, KCh33-8, KCh35-10, KCh37-12, onde:

KCh – designação da variedade – maleável;

30, 33, 35, 37: σ_v, 300, 330, 350, 370 N/mm^{2 - carga máxima que ele pode suportar sem desmoronar;}

6, 8, 10, 12 – alongamento relativo, δ, % – índice de ductilidade (quanto maior o valor, mais o metal pode ser processado por pressão).

Dureza - cerca de 100-160 HB.

Este material, em termos de desempenho, ocupa uma posição intermediária entre o aço e a liga cinza ferro-carbono. O ferro fundido dúctil com base ferrítica é inferior ao perlítico em termos de resistência ao desgaste, corrosão e resistência à fadiga, mas superior em termos de resistência mecânica, ductilidade e características de fundição. Devido ao seu baixo preço, é amplamente utilizado na indústria para a fabricação de peças que operam sob cargas baixas e médias: engrenagens, cárteres, eixos traseiros, encanamentos.

Propriedades, Marcações e Aplicações do Ferro Dúctil Perlítico

Devido ao recozimento incompleto, as cementitas primárias, secundárias e a ledeburita têm tempo para se dissolver completamente em austenita, que a uma temperatura de 720 ˚С se transforma em perlita. Este último é uma mistura mecânica de grãos de ferrita e cementita terciária. Na verdade, parte do carbono permanece na forma ligada, determina a estrutura e parte é “liberada” em grafite em flocos. Neste caso, a perlita pode ser lamelar ou granular. Assim, o ferro dúctil perlítico é formado. Suas propriedades se devem à sua estrutura saturada, mais dura e menos maleável.

Estes, em comparação com os ferríticos, têm propriedades anticorrosivas e resistentes ao desgaste mais altas, sua resistência é muito maior, mas características de fundição e ductilidade mais baixas. A flexibilidade ao estresse mecânico é aumentada superficialmente, mantendo a dureza e viscosidade do núcleo do produto.

Marcação de ferro fundido maleável classe perlítica: KCh45-7, KCh50-5, KCh56-4, KCh60-3, KCh65-3, KCh70-2, KCh80-1, 5.

O primeiro dígito é a designação de força: 450, 500, 560, 600, 650, 700 e 800 N/mm2 respectivamente.

Segundo - a designação de plasticidade: alongamento δ,% - 7, 5, 4, 3, 3, 2 e 1, 5.

Ferro fundido maleável perlítico tem sido usado em engenharia mecânica e instrumentação para estruturas que operam sob cargas pesadas - tanto estáticas quanto dinâmicas: árvores de cames, virabrequins, peças de embreagem, pistões, bielas.

Tratamento térmico

O material obtido por tratamento térmico, nomeadamente recozimento, pode sersofrer influências de temperatura. Seu principal objetivo é aumentar ainda mais a resistência, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e envelhecimento.

1. Hardening é usado para estruturas que requerem alta dureza e tenacidade; produzido por aquecimento até 900 ˚С, as peças são resfriadas a uma taxa média de cerca de 100 ˚С/seg usando óleo de máquina. Segue-se alta têmpera com aquecimento de até 650˚С e resfriamento a ar.
2. A normalização é usada para peças simples de tamanho médio, aquecendo em um forno a 900 ˚С, mantendo essa temperatura por um período de 1 a 1,5 horas e depois resfriando ao ar. Fornece perlita granular troostita, sua dureza e confiabilidade no atrito e no desgaste. É utilizado para obter ferros fundidos maleáveis antifricção com base perlítica.
3. O recozimento é repetido na fabricação de antifricção: aquecimento - até 900 ˚С, manutenção a longo prazo nesse calor, resfriamento junto com o forno. A estrutura ferrítica ou ferrítico-perlítica do ferro dúctil antifricção é fornecida.

O aquecimento de produtos de ferro fundido pode ser realizado localmente ou em combinação. Para uso local, correntes de alta frequência ou chama de acetileno (endurecimento). Para complexos - fornos de aquecimento. Com aquecimento local, apenas a camada superior é endurecida, enquanto sua dureza e resistência aumentam, mas a plasticidade e viscosidade do núcleo permanecem.

É importante salientar aqui que o forjamento de ferro fundido é impossível não apenas devido à insuficiência mecânicacaracterísticas, mas também por sua alta sensibilidade a uma queda brusca de temperatura, o que é inevitável no endurecimento com resfriamento a água.

Ferros dúcteis antifricção

Essa variedade se aplica tanto aos maleáveis quanto aos ligados, são cinza (ASF), maleável (ASC) e de alta resistência (ACS). O ferro dúctil é usado para a produção de ACHK, que é recozido ou normalizado. Os processos são realizados para aumentar suas propriedades mecânicas e formar uma nova característica - resistência ao desgaste durante o atrito com outras peças.

Marcado: AChK-1, AChK-2. É usado para a produção de virabrequins, engrenagens, rolamentos.

Influência dos aditivos nas propriedades

Além da base ferro-carbono e grafite, eles também contêm outros componentes que também determinam as propriedades do ferro fundido: manganês, silício, fósforo, enxofre e alguns elementos de liga.

Mangan aumenta a fluidez do metal líquido, resistência à corrosão e resistência ao desgaste. Ajuda a aumentar a dureza e resistência, liga carbono com ferro na fórmula química Fe_{3C, a formação de perlita granular.}

O silício também tem um efeito positivo na fluidez da liga líquida, promove a decomposição da cementita e a liberação de inclusões de grafite.

Enxofre é um componente negativo, mas inevitável. Reduz as propriedades mecânicas e químicas, estimula a formação de fissuras. No entanto, a proporção racional de seu conteúdo com outros elementos (por exemplo, com manganês) permiteprocessos microestruturais corretos. Assim, na razão Mn-S de 0,8-1,2, a perlita é preservada a qualquer momento de influências de temperatura. Quando a proporção é aumentada para 3, torna-se possível obter qualquer estrutura necessária, dependendo dos parâmetros especificados.

O fósforo altera a fluidez para melhor, afeta a resistência, reduz a resistência ao impacto e a ductilidade, afeta a duração da grafitização.

Cromo e molibdênio dificultam a formação de flocos de grafite, em alguns conteúdos contribuem para a formação de perlita granular.

Tungstênio melhora a resistência ao desgaste em áreas de alta temperatura.

Alumínio, níquel, cobre contribuem para a grafitização.

Ao ajustar a quantidade de elementos químicos que compõem a liga ferro-carbono, bem como sua relação, é possível influenciar as propriedades finais do ferro fundido.

Vantagens e desvantagens

O ferro dúctil é um material amplamente utilizado na engenharia. Suas principais vantagens:

• alta dureza, resistência ao desgaste, resistência e fluidez;
• características normais de tenacidade e ductilidade;
• fabricabilidade em conformação, ao contrário dos ferros fundidos cinzentos;
• várias opções de correção de propriedades para uma peça específica por métodos de tratamento térmico e químico-térmico;
• baixo custo.

As desvantagens incluem características individuais:

• fragilidade;
• presença de inclusões de grafite;
• desempenho de corte ruim;
• peso considerável das peças fundidas.

Apesar das deficiências existentes, o ferro dúctil ocupa um lugar de responsabilidade na metalurgia e na engenharia. Peças importantes como virabrequins, peças de pastilhas de freio, rodas dentadas, pistões, bielas são feitas a partir dele. Tendo uma variedade insignificante de graus, o ferro dúctil ocupa um nicho individual na indústria. Seu uso é típico para aquelas cargas em que o uso de outros materiais é improvável.