Formbart støpejern

Formbar ( latin temperare , moderat ' ) er en innstilling av støpejernstype som på grunn av deres kjemiske sammensetning og størkningsprosessen i henhold til det metastabile systemet jern-karbon-diagram stivner grafitt og for øyeblikket vanskelig , oppstår sprø Temperrohguss i formen . En påfølgende varmebehandling , herdingen , forårsaker en strukturell transformasjon. Den sementitt i den støpte struktur er bare gjort for å desintegrerer etter en meget lang gløding tid. Den resulterende grafitten er kjent som temperert karbon og er preget av sin karakteristiske nodulære form. På grunn av denne formen forstyrrer ikke de herdede karbonflakene forholdet mellom den metalliske basismassen og med en potensiell hakkeffekt som grafittlamellene i støpejern med lamellær grafitt . Dette er hovedårsaken til at formbart støpejern har bedre mekaniske egenskaper enn vanlig støpejern med lamellgrafitt, og kan derfor beskrives som tøft og lett bearbeidbart. Det smidbare støpejernet er delt inn i svart og hvitt formbart støpejern basert på utseendet til bruddet.

Formbart støpejern

Strukturen til det formbare støpejernet består av perlitt og ledeburitt. Det oppnås ved å justere den kjemiske sammensetningen avhengig av veggtykkelsen til delene som skal støpes. For alle typer formbart støpejern er summen av karbon- og silisiuminnholdet på 3,7 til 3,8 prosent avgjørende. Med høyt silisiuminnhold og i sterke, langsomt avkjølende deler, utfelles grafitt ofte under størkning. Disse lamellene, ordnet som reir, fører til styggbrudd. Tappetemperaturen har en slik innflytelse på makrostrukturen, fordi jo høyere den er, desto mer smelter innfødte eller fremmede bakterier og smelten stivner eksogent . Høyt karboninnhold (2,6%) forårsaker også eksogen størkning av den primære austenitten.

Hvitt formbart støpejern

standardisering

Det hvite formbare støpejernet er standardisert i DIN 1692 (gammel) og i DIN EN 1562 (nytt siden 09.97). Det gamle korte navnet er GTW og det nye er GJMW. Forkortelsen består av (EN-) GJ for støpejern, M for ( formbart støpejern: glødende jern) og W for ( hvit: hvit), blant annet må mekaniske egenskaper og / eller kjemisk sammensetning legges til forkortelsen. Om nødvendig kan ytterligere krav spesifiseres, for eksempel EN-GJMW-350. Fem typer er registrert i DIN EN 1562:

^* På grunn av vanskeligheter med å bestemme flytegrensen på små prøver, må verdiene og målemetoden avtales mellom produsenten og kjøperen.

^** Mest egnet for sveising

^*** Informasjon i parentes i henhold til gammel DIN 1692

Kjemisk oppbygning

Retningslinjer for den kjemiske sammensetningen av formbart støpejern

• Karbon : 2,8-3,4% (relativt høyt)
• Silisium : 0,4-0,8% (relativt lite)
• Mangan : 0,4-0,6%
• Svovel : 0,12-0,25%
• Fosfor : 0,1%

Karbon og silisium må tilpasses hverandre (summen av karbon og silisium skal ikke overstige 3,8%), slik at selv de tykkeste tverrsnittene av et formbart støpejern har en hvit, grafittfri struktur etter størkning.

Produksjon (herding)

For å oppnå et hvitt formbart støpejern, blir det formbare støpejernet (hypoeutektisk hvitt støpejern ) glødet ("annealing"). Dette reduserer karboninnholdet i støpingen i stor grad. Dette gjør støpingen litt tøffere i kantområdet. Råstøpet glødes ved 1000 ° C i ca. 60–120 timer i en oksiderende atmosfære (herdet i en gasstrøm). Følgende reaksjoner finner sted:

• Reaksjon 1 (inne i støpegodset):

  Fe ₃ C → 3Fe + C

• Reaksjon 2 (på overflaten av støpegodset):

  C + O ₂ → CO ₂

• Reaksjon 3 (faktisk avkalkning - selvkjørende prosess)

  CO ₂ + C → 2CO til dette kommer igjen O ₂ + 2CO → 2CO ₂

Den sementitt (Fe ₃ C) av støpestykket brytes ned til tre jern og ett karbonatomer i den første reaksjonen. Dette karbonet reagerer med oksygenet på støpeoverflaten og blir derved trukket ut av støpingen (reaksjon 2). I løpet av arbeidet med å utjevne konsentrasjonen, fortsetter karbonet fra støpingen å diffundere til kanten av støpingen og kombineres med oksygenet i den omgivende luften. Dette avkolber arbeidsstykket gradvis (reaksjon 3). Samtidig agglomererer det gjenværende karbonet i kjernen av de støpende agglomeratene for å danne knuter av herdet karbon. Avkalkingen av arbeidsstykket er sterkt avhengig av varigheten av herdeprosessen og veggtykkelsen til støpegodset. Uniform avkulling bare oppstår med en veggtykkelse på 2-3 mm, med tykkere støpegods bare kant avkulling og nedbryting av sementitt (Fe ₃ C) til jern og herdet carbon finner sted.

Strukturformasjon

Hvitt formbart støpejern V = 100: 1

Strukturen til det hvite formbare støpejernet med veggtykkelser under 3 mm består av en ferritisk matrise og svært lite eller ingen knuter av herdet karbon (i midten). Med veggtykkelser over 3 mm er strukturen til det hvite formbare støpejernet delt inn i tre områder:

• Dekarburisert kantsone, bestående av ferritt. Overflaten inneholder ofte en kant ispedd oksider.
• Overgangsområdet, bestående av en ferritisk - pearlitisk grunnmatrise og noen herdede karbonknuter.
• Kjernesonen, bestående av en pearlitisk basematrise og små herdede karbonknuter.

Dekarburiseringsdybden bestemmes ved hjelp av en glødet kileprøve. Deres metallografiske polerte seksjon gir informasjon om strukturdannelsen. Ved feil temperering kan strukturelle feil oppstå. For eksempel kan grafitthyrene føre til såkalt "foul breakage", de ble opprettet i råstøpingen. Dekarburisering kan også forekomme, med karbider som avsettes på ferritkanten i form av sekundær sementitt, muligens ledeburitt .

Egenskaper og bruk

Formbare støpejernsmaterialer foretrekkes på grunn av prosessforløpet som brukes i produksjonen av støpegods. Begrensningen av stykkvekten fra noen få gram til 100 kg skyldes produksjonsprosessen. Det samme gjelder den maksimale veggtykkelsen på 20-30 mm. De strekkstyrke øker med økende veggtykkelse, for eksempel de perlitt innholdet øker. Passende herdebehandlinger justerer de kvalitetsbestemmende egenskapene med stor nøyaktighet og høy ensartethet (f.eks. Tette, hardeste områder, god bearbeidbarhet , høy styrke og god støpbarhet , også sveisbar og galvaniserbar ).

Egenskapene til det hvite formbare støpejernet avhenger av veggtykkelsen. De er delt inn i:

• mekaniske egenskaper som:
  • god bruddforlengelse (avhengig av veggtykkelse)
  • god strekkfasthet (øker med prosentandel perlitt)
  • god utmattelsesstyrke
  • lett å tilgi, formbar
  • høy seighet
• fysiske egenskaper som:
  • god bearbeidbarhet
  • god sveiseoppførsel
  • lett å galvanisere
  • høy overflatekvalitet
  • god korrosjonsbestandighet (på grunn av oksydlag på randsonen)
  • kan herdes termokjemisk ( saksherding )

applikasjon

Tynne vegger støpte deler med god utmattelsesstyrke for maskinering på overføringslinjer; På grunn av sin duktilitet brukes den til komponenter som er utsatt for dynamiske belastninger (oscillerende eller rykkete) og som må tåle høye mekaniske krefter (chassis og styringsdeler til motorkjøretøyer, sikkerhetskomponenter som krever dokumentasjon, justerings- og festeelementer for kretskonstruksjon) ; Beslag og beslag for rørledningskonstruksjon, mange komponenter for elektroindustrien på grunn av deres termiske, elektriske og magnetiske egenskaper; bærende elementer av høyspennings- og luftledninger; Koblings-, kontroll- og overføringselementer i maskin- og landbruksmaskiner; På grunn av god støpbarhet og muligheten for meget tynnveggede konstruksjoner med reproduserbar nøyaktighet, skal egenskaper nevnes; For produksjon av låser og tilbehør; Smidbare emner i støpejern tilbyr et bredt spekter av alternativer for å lage spesifikke egenskaper spesielt i komponentområdet der de er nødvendige (har erstattet mange andre materialer).

Svart formbart støpejern

standardisering

Det svarte formbare støpejernet er også standardisert i DIN EN 1562. Den gamle forkortelsen GTS er også erstattet og er GJMB, GJ står for støpejern, M for "formbart støpejern" og B står for "svart".

Kjemisk oppbygning

Formbart støpejern har generelt en hypoeutektisk sammensetning. På grunn av den metastabile størkningen av det smidbare støpejernet, er karbonet tilstede i bundet form som sementitt (Fe ₃ C) og er derfor grafittfritt. Det smidbare støpejernet har en sølvhvit bruddstruktur og er hard og sprø, noe som gjør det praktisk talt uegnet for teknisk bruk. Herding fører til at sementitt oppløses og oppløses i grunnstrukturen, som består av austenitt ved glødetemperaturen. Det smeltede jernet som brukes til å lage svart formbart støpejern har følgende sammensetning:

• Karbon: 2–2,9%
• Silisium: 1,2-1,5% (relativt høyt)
• Mangan: 0,4-0,6%
• Svovel: 0,12-0,18%
• Fosfor: ca. 0,1%

Karboninnholdet er lavere og Si-innholdet høyere enn i hvitt formbart støpejern.

Produksjon

For produksjon blir råjern , stålskrap, ferrolegeringer og sirkulerende materiale (fra støpe- og grindesystemet til støpte stykker) først matet inn i kuppelovnen (med en varm sprengning) for forhåndssmelting . For å stille inn ønsket støpetemperatur og den kjemiske sammensetningen kobles lysbueovnen eller induksjonsovnen nedstrøms (dupleksprosess).
Annealing foregår i to trinn i en nøytral atmosfære. På grunn av den nøytrale atmosfæren avkasting ikke støpejernet. På grunn av det høye karbon- og silisiuminnholdet brytes sementitten helt ned i ferritt og herdet karbon: Fe ₃ C → 3Fe + C.

Det herdende karbonet dannes ved utfelling av elementært karbon under gløding i form av knuter eller flak. Utseendet til disse nodene avhenger av mangan-svovelforholdet. Som et resultat oppnår materialet duktilitetsegenskaper som ligner på stål.
Den første fasen av denne varmebehandlingen kalles også det første grafitiseringsfasen. Eutektiske karbider går i oppløsning og oppløses i grunnstrukturen (austenitt) ved 940–960 ° C i løpet av en periode på ca. 20 timer. Som nevnt ovenfor, utfelles også elementært karbon som glødeknuter. Strukturen består nå av austenitt og herdet karbon.

I den andre fasen, som også er kjent som den andre grafitiseringsfasen, bestemmes den grunnleggende strukturen. For å starte det andre trinnet senkes temperaturen til ca. 800 ° C. Hvis temperaturen deretter avkjøles sakte (ved 3–5 ° C per time) mellom 800 og 700 ° C, eller hvis temperaturen holdes mellom 760 og 680 ° C i flere timer, oppstår en stabil eutektoid transformasjon. γ → α + C
Kullet har således muligheten til å diffundere fra austenitt til det allerede eksisterende herdede karbon og bli en del av det. Strukturen består da av ferritt (matriks) og grafitt og eventuelle rester av perlitten. Det herdende karbonet fordeles jevnt over hele tverrsnittet av prøven. Materialet er veldig mykt og består av ferritt og grafitt. Eksempel: GJMB - 350 Under hurtig avkjøling mellom 800 og 700 ° C i luften, blir det eutektoide området passert raskt og en eutektoid metastabil størknet struktur av perlit opprettes.

Rask kjøling skaper en martensittisk struktur. Etter temperering kan den fremdeles tempereres . Ved 600 ° C produseres for eksempel GJMB - 700, ved 700 ° C GJMB - 450. Ved 620 ° C dannes perlitten (kuleformet sementitt).

Et karakteristisk trekk ved svart formbart støpejern er at strukturen er uavhengig av veggtykkelsen, bortsett fra en smal kantsone på 0,2 mm dyp uten herdet karbon på grunn av den ikke-avkalkende glødingen.

Strukturformasjon

I det første glødetrinnet oppløses sementitten til ledeburitten ved 950 ° C til austenitt og herdet karbon. I løpet av det andre glødningstrinnet brytes austenitten ned i ferritt og herdet karbon. Den grunnleggende strukturen avhenger av kjølehastigheten i eutektoidområdet.

• Ferritisk grunnstruktur
  Ved sakte avkjøling mellom 700 og 800 ° C (for detaljer se produksjon), foregår eutektoid transformasjon under stabile forhold. γ → α + C
  Ferritten danner matrisen, og det herdende karbon fordeles jevnt hvis omtrent de samme kjøleforholdene brukes i alle områder av prøven. Jo mindre mangan og svovel det er, jo mer kompakt er det herdede karbonet. Mangan og svovel forhindrer grafitt i å agglomerere i en sfærisk form, noe som resulterer i den takkede og nodulære dannelsen av det herdede karbonet.
• Perlitisk grunnstruktur
  Ved oppvarming til 700–800 ° C, rask avkjøling (forrige slukking, se produksjon), størkner materialet metastabelt til perlitt. γ → α + Fe ₃ C. Her danner perlitten grunnstrukturen. Selv med denne størkningen kan herdende karbon utformes annerledes.
• Martensittisk grunnleggende struktur
  Når den kjøles ned veldig raskt, oppstår den martensittiske strukturen. Diffusjonen undertrykkes av den svært høye kjølehastigheten. Den delvise sammenbruddet av romgitteret skaper et gitter som er forvrengt og spent av karbonet, og martensitt opprettes. Tempereringsstrukturen er opprettet ved å temperere den martensittiske strukturen eller ved kontrollert kjøling på denne strukturen.
• Blandet struktur
  kan også oppstå ferritisk-perlitisk struktur. Dette skjer når den eutektiske størkningen er delvis stabil og metastabil. Smelt → γ + C (stabil) og smelt → γ + Fe ₃ C (metastabilt).

Eutektoid transformasjon er metastabilt igjen. En struktur med en annen mengde perlitt og ferritt og herdet karbon kan forventes, avhengig av kjølehastigheten. Det herdende trekullet kan ha forskjellige former, størrelser og arrangementer.

Egenskaper og bruk

Rørmontering laget av svart formbart støpejern (GJMB)

Generelt har svart formbart støpejern god støpbarhet, det er også lettere å bearbeide enn GJMW (se Bearbeidbarhet av støpejern ), herdbart, varmebehandlet og overflateherdbart (for flamme- og induksjonsherding). Den brukes blant annet til stempler, gir, motordeler og tykkveggede komponenter som motorhus.

• Ferritisk GJMB-350
  Selv om denne strukturen har moderat seighet, har den god duktilitet og utmerket bearbeidbarhet. Dette materialet brukes der det er krav til bearbeidbarhet. Den er egnet for termofysisk herding etter dobbel oppvarming. Hardheten til materialet tilsvarer ≤ 150 HBW 30, som tilsvarer ≤ 160 HV10.
• Pearlitic GJMB-450
  Dette materialet har bedre styrke og lignende seighet som GJMB-350. Herding opp til 600 HV10 er mulig etter forutgående dobbel oppvarming. Hardheten til materialet tilsvarer 150–200 HBW 30, som tilsvarer 160–210 HV10.
• GJMB-550 Bearbeidbarheten
  til dette materialet er ikke like god som for de tidligere konstruksjonene. Men hvis du sammenligner det med et smidd stål med samme styrke, er det utmerket. Termofysisk herding er til og med mulig her uten dobbel oppvarming på forhånd. Hardheten til materialet tilsvarer 180–230 HBW 30, som tilsvarer 190–240 HV10.
• GJMB-650
  Styrke er hovedkravet her. Dette materialet har kort sprø sjetonger. Alternativt kan den brukes til smidde stål. Hardheten til materialet tilsvarer 210–260 HBW 30, som tilsvarer 220–270 HV10.
• GJMB-700 herdestruktur De
  samme egenskapene og bruken som for GJMB-650. Hardheten til materialet tilsvarer 240–290 HBW 30, som tilsvarer 250–300 HV10.

litteratur

• Formbart støpejern - et duktilt støpejernsmateriale. Federal Association of the German Foundry Industry, teknisk publikasjon, 2011
• Hermann Schumann, Heinrich Oettel: Metallography. 14. utgave, Wiley-VCH Verlag.

weblenker

• Nettportal til Federal Association of the German Foundry Industry