Sammensetning |
Carbon Iron (3,5) |
---|
Den støpt i metall , er en legering av jern og karbon hvis innhold er større enn 2%. Karbon, som er overmettet i støpejern, kan utfelle i form av grafitt eller sementitt Fe 3 C. De skiller seg fra andre jernlegeringer ved sin gode flytbarhet.
Flere klassifikasjoner av støpejern eksisterer, men den mest brukte, basert på et vitners bruddfasier , definerer to kategorier: hvite støpejern , med hvitt brudd, sammensatt av jern og sementitt, og grå støpejern , med grå brudd, består av jern og grafitt.
Støpejern er alle legeringer. De skiller seg ut fra andre legeringer ved sin utmerkede flytbarhet (dette begrepet kombinerer termisk treghet og flytbarheten til den smeltede legeringen, den måles på en standardisert måte av et spiralprøverør med trekantet snitt).
Støpejern har et smeltepunkt fra 1135 til 1350 ° C , hovedsakelig avhengig av prosentandelen karbon og silisium det inneholder. Når det er smeltet, avhenger det maksimale karboninnholdet av temperaturen. På størkningstidspunktet avhenger mengden karbon som faller ut i form av grafitt i metallmatrisen av de andre tilstedeværende elementene (hovedsakelig silisium) og av kjølehastighetene.
Det kan være en forløper for produksjon av stål fra jernmalm . Det er legeringen som kommer ut av masovnen og som vil bli raffinert til stål (ved avkalking ). Det kalles da grisejern , for å skille det fra støperijern , vanligvis som følge av en kuppelsmelting , av bestemt sammensetning, og beregnet for produksjon av støpegods.
Smeltingen ble oppdaget i Kina i løpet av stridende staters periode ( IV th århundre f.Kr.. ). I Europa var det i løpet av XIX - tallet at smelting tok en viktig plass i økonomien, generaliseringen av "indirekte prosess" (jernproduksjon i masovn med produksjon av støpejernmellomprodukt).
Støpejern ble fremstilt i kull masovner . Abraham Darby , som opprinnelig var en malt roaster (for å lage øl ), lykkes i å produsere støpejern bruke koks (det "coak", som senere ble skrevet "cola", fra engelsk til å lage mat ). I 1709 laget han det første koksstøpejernet ved bruk av svovelkull, ved fabrikken i Coalbrookdale . Men produktet, kjent for å være av lavere kvalitet enn vedfyring av støpejern, tok femti år å etablere seg og bli et av de viktigste produktene til industrialisering. Mellom 1777 og 1779 bygde Abraham Darby III Iron Bridge , den første store metallbroen i historien, laget helt av støpejern på Coalbrookdale . Produksjonen av trefyrt støpejern vedvarte likevel, dels på grunn av proteksjonismen som ble produsert av produsentlandene (Frankrike, Tyskland), dels på grunn av kvaliteten som ble tilskrevet denne typen støpejern og motviljen fra visse smeder.
Fra et kjemisk synspunkt er støpejern jern-karbonlegeringer som inneholder en eutektisk fase , kalt ledeburitt . På det metastabile jern-karbon-fasediagrammet er det derfor et spørsmål om jern-karbon-legeringer som har mer enn 2,11% karbon (men dette diagrammet er ikke lenger gyldig i nærvær av legeringselementer).
De forskjellige støpejernene er preget av prosentandelen karbon . Når det gjelder en ren legering av jern og karbon (teoretisk tilfelle fordi støpejern alltid inneholder silisium og mangan i betydelige mengder), er følgende terskler notert:
Stål krystalliserer i den metastabile jern-karbon fer- sementitt diagram (som vist ovenfor), selv om det er grafitt som er termodynamisk stabil: sementitt skal brytes ned
Fe 3 C → 3Fe α + C (grafitt)men mobiliteten til karbonatomer er ikke tilstrekkelig for at dette skal finne sted.
Saken er forskjellig for støpejern som har et høyere karboninnhold, og kan således krystalliseres i den stabile jern-karbon-diagram: fer- grafitt . Forskjellen mellom disse 2 diagrammer ligger for det første i kjølehastigheten: Når avkjølingshastigheten er rask, vil karbon oppløst i γ jern ikke har tid til å migrere over store avstander og former Fe 3 C- karbider. , Cementitt, videre nettstedet; mens kjølehastigheten er langsom nok, kan karbonet "samle seg" og danne grafitt .
På jern-karbon-diagram jevn, er det eutektiske ved et innhold av 4,25% karbon, og smelter ved en temperatur på 1153 ° C .
Vi har derfor to typer skrifter:
Skillet mellom hvitt og grått støpejern (eller svart) når XVIII th århundre. Å skaffe et grått eller hvitt støpejern avhenger av både sammensetningen og kjølehastigheten.
Tilsetningen av legeringselementer kan fremme størkning av støpejernet enten i henhold til det stabile diagrammet (grafitt) eller i henhold til det metastabile diagrammet (sementitt). Vi finner særlig som legeringselementer silisium som vil fremme størkning av støpejernet i henhold til stabilt diagram eller mangan som vil fremme dannelsen av perlit (ferritt og sementittflak). Imidlertid anses ikke støpejern å være legert hvis mangan er mellom 0,5 og 1,5%, silisium er mellom 0,5 og 3%, fosfor mellom 0,05 og 2,5%.
Et støpejern sies å være legert hvis det i tillegg til de ovennevnte elementene inneholder i tilstrekkelig mengde minst ett tilsetningselement slik som: nikkel, kobber (mer enn 0,30%); krom (mer enn 0,20%); titan, molybden, vanadium, aluminium (mer enn 0,10%). På samme måte betraktes et støpejern som inneholder mer enn 3% silisium eller mer enn 1,5% mangan som spesielt (dette er spesielt tilfellet med GS-støpejern med en forsterket ferritisk matrise).
Hvitt støpejern er en løsning av perlit og sementitt (Fe 3 C). Tilstedeværelsen av denne sementitt gjør hvite støpejern harde og skjøre legeringer. Denne typen støpejern oppnås ved lav støpetemperatur, rask avkjøling, høyt innhold av perleelementer (f.eks. Mangan, kobber, etc.) eller et lavt innhold av grafiserende elementer (f.eks. Silisium). Hvite skrifttyper er laget av perlitt og ledeburite.
Hvit støpejern har god flytbarhet og et skinnende hvitt utseende, og brukes hovedsakelig til utseende, slitedeler (som skjærspisser) og kunststøperi. Tilstedeværelsen av karbid gjør det veldig motstandsdyktig mot slitasje og slitasje, men gjør det også veldig vanskelig å bearbeide. Smelteovnen for raffinering konverter (som på slutten av XX th århundre, som representerer nesten alle av jern produsert), men teknisk sett en "hvit jern" er aldri så kalt. Dette smeltede " grisejernet " er bare av verdi når det gjelder kjemisk sammensetning og temperatur. Klassifiseringen av støpejern, som innebærer avkjøling og mulige behandlinger, er derfor generelt ikke relevant for fremstilling av stål.
Avhengig av innholdet i legeringselementene, er det mulig å få perlitiske eller martensittiske hvite støpejern.
De viktigste egenskapene til hvite skrifter er:
Deres viktigste feil er:
Familie av støpejern der karbon finnes i form av grafitt . Den grafittiske strukturen til karbon oppnås ved veldig langsom avkjøling av støpejernet, eller tilsetning av grafiserende komponenter som silisium . Navnet grå støpejern skyldes utseendet til pausen som er grå i motsetning til hvitt støpejern hvis fargen på pausen er hvit. Det er også skrifttyper med et grått og hvitt utseende, dette er de etterlignede skriftene (som ligner på huden).
Selv om avkjølingsstart begynner i henhold til det stabile diagrammet (jern-grafitt), har ikke grafitiseringsfaktorene noen effekt lenger når temperaturen synker, men avkjølingen skjer i henhold til det metastabile diagrammet. Til slutt kan mikrostrukturen inneholde ferritt, perlit, sementitt og grafitt i lamellform eller sfæroid form. Andelen av hver av disse fasene avhenger av legeringens sammensetning og avkjølingshastigheten.
Det er den vanligste grå fonten. Grafitten er der i form av lameller. Det er denne lamellformen av grafitt (hakkeffekt) som gjør GL støpejern sprø. På den annen side forbedrer grafitt friksjonsegenskapene til støpejern og fremmer derfor maskinering.
De viktigste egenskapene til GL-skrifter er:
Hovedfeilene:
De viktigste bruksområdene:
GS-støpejern er utviklet siden 1948. Støpejern der grafitt finnes i form av knuter (sfæroider). Denne spesielle mikrostrukturen oppnås ved å tilsette magnesium til støpejernet kort før støping (hvis støpejernet holdes smeltet, mister det spesifisitetene til GS-støpejern etter omtrent ti minutter): det er sfæroidiseringsbehandlingen. Magnesiumet fordamper, men forårsaker rask krystallisering av grafitten i form av knuter. Denne mikrostrukturen gir mekaniske egenskaper nær stål. Faktisk gir den sfæriske formen av grafitt støpejernet god smidighet.
Få en GS-fontUnder størkningen av et sfæroid grafittstøpejern vises sfæroidene i væsken. Karbonknutene vil vokse og tømme væsken rundt dem i karbon. Når størkningen utvikler seg, omgir disse sfæroider seg med en austenittkappe. Kullet må da diffundere i denne austenittkledningen for deretter å krystallisere på karbonkuloidene. Det er derfor diffusjonen av karbon i austenitt som blir hovedmekanismen som styrer veksten av knuter. Ved å utføre en termisk analyse (temperatur som en funksjon av tid), kan vi også observere dette fenomenet. Faktisk, under avkjøling, observeres ikke noe eutektisk nivå på grunn av mangel på balanse mellom væske og fast fase (uttrykt ved tap av kontakt mellom grafitt og væske). Når størkning er fullført, fortsetter karbonet å diffundere i austenitten. Faktisk reduseres løseligheten av karbon i austenitt med temperaturen. Eutektoid transformasjon skjer over et temperaturområde. For øyeblikket, når austenitten forvandles til ferritt, observerer vi desto mer karbonatomer som sprer seg mot knutene. Dette forklares med det faktum at karbonløseligheten er lavere i ferritt (krystallografisk struktur: kubisk sentrert) enn innenfor austenitt (kubikkstruktur med forsiden sentrert). Denne prosessen med størkning og deretter avkjøling resulterer i en likevektsmikrostruktur bestående av karbonknuter som er badet i en ferrit matrise. Dette skjer selvfølgelig bare hvis karbonet har tid til å diffundere i austenitt / ferritt. Hvis størkning og avkjøling er raskere enn diffusjonshastigheten til karbon, oppnås karbon i form av sementitt (metastabilt diagram) snarere enn i form av grafitt (stabilt diagram), og transformasjonen av austenitt blir også observert. ferritt.
Sfæroider er dannet av heterogene frø, utenlandske partikler som tillater krystallisering av grafitt. Det er forskjellige elementer som fremmer dannelsen av grafitt i sfæroid form: cerium, litium, barium, strontium og mange andre elementer. Industrielt er det imidlertid magnesium som brukes ved å sette det inn i form av en ferrolegering (FeSiMg). Sfæroidiserende midler er alle grådige for svovel og oksygen, deres handlinger er bare mulig av den gjenværende mengden i overskudd etter reaksjon med oksygen og svovel. I tillegg er disse elementene flyktige og flyktige ved temperaturen i væskebadet, og deres virkning kan derfor bare kjennes i en kort periode (noen få minutter). Det er likevel tilrådelig å ikke legge disse elementene i det smeltede badet for mye fordi noen av disse (spesielt magnesium) favoriserer størkning av støpejernet i henhold til det metastabile diagrammet, og kan derfor føre til dannelse av karbider og risikoen for for høyt restinnhold er også det faktum å oppnå degenerert grafitt.
Det er også elementer som forhindrer dannelsen av grafitt i form av sfæroider: vismut (i mengder større enn 20 ppm ), titan (i mengder større enn 400 ppm ), bly (i mengder større enn 20 ppm ).
For sfæroidiseringsbehandling er det flere mulige industrielle metoder for å sette inn magnesiumferrolegering:
Støpejernets struktur avhenger av tilleggselementene og kjølehastigheten, disse parametrene avhenger sterkt av tykkelsen på delene. Denne strukturen påvirker de mekaniske egenskapene sterkt.
Vi skiller mellom:
Disse forskjellige mikrostrukturene kan oppnås ved å endre sammensetningen av de sfæriske grafittstøpejernene (men også ved å modifisere avkjølingen). Vi finner spesielt som legeringselementer:
For å karakterisere mikrostrukturen til et støpejern, er det forskjellige egenskaper som kan måles, spesielt de morfologiske egenskapene til grafitt. For å kunne klassifisere grafittpartikler og bestemme om en grafittpartikkel er nodulær eller ikke, stoler vi på standard NF-EN-945 (gjør det mulig å klassifisere grafitt visuelt) eller standard NF A04-197 som gjør det mulig å klassifisere hver av partiklene, ved hjelp av programvare for bildeanalyse, ved å beregne deres morfologiske egenskaper. I henhold til disse to standardene kan grafittpartikler klassifiseres i 6 klasser: Form I, Form II, Form III, Form IV, Form V, Form VI. Grafittpartikler kalles knuter hvis de har form V eller VI.
Når partiklene er klassifisert, kan vi beregne nodulariteten til støpejernet vårt. I henhold til EN-1563-standarden, for at de mekaniske egenskapene til et GS-støpejern for å oppfylle det som er angitt i standarden, er det nødvendig at vi har en nodularitet større enn 80%. Nodulariteten er lik overflateprosenten av grafittpartikler i form V og VI.:
Betegnelse | R m ( MPa ) | R p0,2 (MPa) | AT% | Matrisestruktur | Hardhet ( HB ) |
---|---|---|---|---|---|
EN-GJS-700-2 (FGS 700-2) | 700 | 470 | 2 | Perlite | 240-300 |
EN-GJS-600-2 (FGS 600-2) | 600 | 400 | 2 | Perlite | 230-280 |
EN-GJS-500-7 (FGS 500-7) | 500 | 350 | 7 | Perlit-ferritisk | 210-260 |
EN-GJS-400-15 (FGS 400-15) | 400 | 250 | 15 | Ferrit | <220 |
EN-GJS-350-22 (FGS 350-22) | 350 | 220 | 22 | Ferrit | <200 |
EN-GJS-450-18 (FGS 450-18) | 450 | 350 | 18 | Forsterket ferritt | 170-200 |
EN-GJS-500-14 (FGS 500-14) | 500 | 400 | 14 | Forsterket ferritt | 185-215 |
EN-GJS-600-10 (FGS 600-10) | 600 | 470 | 10 | Forsterket ferritt | 200-230 |
Fordelene med sfæroid grafittstøpejern sammenlignet med stål er spesielt et høyere mekanisk motstand / vektforhold som gjør det mulig å produsere lettere deler, bedre bearbeidbarhet , muligheten for nesten total resirkulering (deler støpt i støpejern er resirkulerbare produkter), lavere energikostnader for smelting og det faktum at støpejern ikke er giftig.
Viktigste bruksområderStøpejern der grafitten er i form mellom lamellene og kulene (ingen hakkeffekt av grafitten). Denne spesielle mikrostrukturen oppnås ved å tilsette magnesium med et lavere innhold enn for sfæriske grafittstøpejern (generelt rundt 0,020% mot 0,035% minimum for FGS) i et støpejern med et veldig lavt svovelinnhold. Det er også mulig å oppnå denne typen støpejern ved å starte fra et sfæroid grafittstøpejern og ved å blokkere transformasjonen av grafittfrøene ved å tilveiebringe svært lave doser titan, noe som gjør det mulig å tillate et større område for støpingen. Magnesiuminnhold Imidlertid blir denne metoden knapt brukt mer i dag fordi tilsetningen av titan førte til dannelsen av titankarbonitrider med meget høy hardhet, noe som sterkt straffet bearbeidingen. Mikrostrukturen i vermikulært støpejern kombinerer fordelene med lamellstøpejern (flytbarhet, vibrasjonsabsorpsjon) uten ulempene (sprøhet) og fordelene med GS-støpejern (mekanisk motstand). Den største ulempen er vanskeligheten med å oppnå ønsket struktur og å kontrollere at denne strukturen er oppnådd.
De mekaniske egenskapene er:Betegnelse | R m (MPa) | R p0,2 (MPa) | PÅ% | Matrisestruktur | Hardhet (HB) |
---|---|---|---|---|---|
EN-GJV-350-7 (FGV 350-7) | 350 | 220 | 7 | Ferrit-perlitt | <200 |
Den europeiske standarden EN 1560 indikerer:
Den gamle franske standarden NF A 02-001 uttalte:
Eksempler:
Støpejern brukes til alle typer mekaniske deler. De fleste delene oppnås ved å helle flytende metall i kiselformede sandformer (se støping ).
Skrifter kan implementeres av:
Kontinuerlig støping gjør det mulig å få et støpejern med en fin struktur, bruksområdene er hydraulikkindustrien (hydraulisk fordeler osv.), Glassindustrien, enkel mekanisk del osv.
Støperier av støpejern og stål (2017, vol. 100F) har blitt anerkjent som en lav / moderat risikofaktor for lungekreft .
Begrepet støpejern brukes noen ganger for å betegne andre legeringer, alle disse bruksområdene er feil :