ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΚΡΑΜΑΤΑ ΜΕΡΟΣ Α : ΣΙ ΗΡΟΥΧΑ ΚΡΑΜΑΤΑ

Transcript

1 ΓΕΝΙΚΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΚΡΑΜΑΤΑ ΜΕΡΟΣ Α : ΣΙ ΗΡΟΥΧΑ ΚΡΑΜΑΤΑ B. ΧYΤΟΣΙ ΗΡΟΙ Είναι κράµατα Fe-C-Si. Η µικροδοµή και οι ιδιότητές τους καθορίζονται από τις π(c), π(si) και τους ρυθµούς απόψυξης. Οι χυτοσίδηροι του εµπορίου έχουν π(c)=2 4,5%, µε τον C υπό µορφή γραφίτη κυρίως (σ' αυτό συµβάλλουν η παρουσία του Si όταν µετέχει σε ποσοστό πάνω από 0,7% και οι χαµηλοί ρυθµοί απόψυξης). Είναι φτηνά υλικά και µορφοποιούνται αποκλειστικά µε χύτευση. ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΧΥΤΟΣΙ ΗΡΩΝ Λευκοί χυτοσίδηροι Φαιοί ή γκρίζοι χυτοσίδηροι Μαλακτοί χυτοσίδηροι Ελατοί χυτοσίδηροι ή χυτοσίδηροι σφαιροειδούς γραφίτη Ισχυρά κραµατωµένοι χυτοσίδηροι ΤΥΠΙΚΕΣ ΣΥΣΤΑΣΕΙΣ ΧΥΤΟΣΙ ΗΡΩΝ (Πίν. 1) Πίνακας 1: Τυπικές χηµικές συστάσεις χυτοσιδήρων Κατηγορία C Si Mn S P χυτοσιδήρου Λευκός 1,8-3,6 0,5-1,9 0,25-0,80 0,06-0,20 0,06-0,18 Φαιός 2,5-4,0 1,0-3,0 0,25-1,00 0,02-0,25 0,05-1,00 Μαλακτός 2,0-2,6 1,1-1,6 0,20-1,00 0,04-0,18 <0,18 Ελατός 3,0-4,0 1,8-2,8 0,10-1,00 <0,03 <0,10 ΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ ΧΥΤΟΣΙ ΗΡΩΝ (Πίν. 2) Πίνακας 2: Τυποποίηση χυτοσιδήρων Κατηγορία Τυποποίηση χυτοσιδήρου Φαιός Κωδικοί: Σηµασία κωδικού: Ελάχιστη αντοχή σε εφελκυσµό (σε ΜPa) µε κυλινδρικό δοκίµιο διαµέτρου 30mm Μαλακτός Κωδικοί: Βα/β - Ρα/β - Αα/β Σηµασία κωδικού: Β=µέλανας καρδίας, Ρ=περλιτικής καρδίας, Α=λευκής καρδίας, α= η ελάχιστη αντοχή (σε ΜPa) σε δοκιµή εφελκυσµού µε κυλινδρικό δοκίµιο διαµέτρου>15mm, β=η αντίστοιχη µέγιστη παραµόρφωση (%) Ελατός Κωδικοί: α/β Σηµασία κωδικού: α=η ελάχιστη αντοχή (σε ΜPa) σε δοκιµή εφελκυσµού, β=η αντίστοιχη µέγιστη παραµόρφωση (%) Ισχυρά κραµατωµένος Κωδικοί: L=χυτοσίδηροι µε φυλλίδια γραφίτη, S=χυτοσίδηροι µε κονδυλώµατα γραφίτη. Ακολουθούν αριθµοί και γράµµατα που δηλώνουν τα ποσοστά των κύριων κραµατικών στοιχείων. Οι ισχυρά κραµατωµένοι λευκοί χυτοσίδηροι χαρακτηρίζονται µε τους κωδικούς: 1=µε µικρά ποσοστά κραµάτωσης, 2=χυτοσίδηροι Ni-Cr, 3=µε υψηλά ποσοστά Cr. Ακολουθούν γράµµατα που υποδηλώνουν το ειδικό κράµα. 1

2 ΛΕΥΚΟΙ ΧΥΤΟΣΙ ΗΡΟΙ Ονοµάζονται έτσι διότι παρουσιάζουν λευκή και λαµπερή επιφάνεια θραύσης. ΜΙΚΡΟ ΟΜΗ Ευτηκτικός και προευτηκτοειδής σεµεντίτης (Fe 3 C) σε περλιτική µήτρα, βλ. Σχ. 1. Το λευκό χρώµα της επιφάνειας θραύσης οφείλεται στην παρουσία του προευτηκτοειδούς σεµεντίτη. ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ Αντοχή (UTS): ΜPa Παραµόρφωση θραύσης (ε f ): 0% (ψαθυρή συµπεριφορά) Σκληρότητα: HB (υψηλή). Εξαιρετική αντοχή σε φθορά από τριβή. Προσθήκη Cr, Ni, Mo βελτιώνει ακόµη περισσότερο την αντοχή έναντι φθοράς από τριβή (µε κατάλληλη θερµική κατεργασία σχηµατίζεται µαρτενσίτης). Κακή κατεργασιµότητα. ΧΡΗΣΗ Η χρήση τους περιορίζεται σε εφαρµογές που απαιτούνται µεγάλη σκληρότητα και αντοχή έναντι φθοράς από τριβή, π.χ. στην κατασκευή ορισµένων τύπων ραούλων έλασης και µητρών ολκής και διέλασης, τµηµάτων θραυστήρων και µύλων, χιτωνίων και σφαιρών τριβείων (λόγω της υψηλής αντοχής έναντι φθοράς) Το µέγιστο µέρος της παραγωγής λευκού χυτοσιδήρου µετατρέπεται σε µαλακτό χυτοσίδηρο. Σχήµα 1. Μικροδοµή λευκού χυτοσιδήρου σε διάφορες µεγεθύνσεις (Σύσταση χυτοσιδήρου: Fe - 2,8%C - 1,8%Si) 2

3 ΦΑΙΟΙ Η ΓΚΡΙΖΟΙ ΧΥΤΟΣΙ ΗΡΟΙ Ονοµάζονται έτσι διότι παρουσιάζουν γκρίζα επιφάνεια θραύσης (λόγω της παρουσίας του γραφίτη). Συνήθης σύσταση: π(c)=3 4%, π(si)=1 3%, π(mn) 1%. ΜΙΚΡΟ ΟΜΗ Το µέγιστο µέρος ή/και το σύνολο του σεµεντίτη έχει διασπαστεί σε γραφίτη. Η διάσπαση αυτή εξαρτάται από τις π(c) και π(si) και την ταχύτητα απόψυξης. Κυρτά φυλλίδια γραφίτη σε φερριτική (πλήρης διάπαση του σεµεντίτη), περλιτική ή φερριτοπερλιτική µήτρα (µερική διάσπαση του σεµεντίτη), βλ. Σχ. 2. Οι µέτριοι ρυθµοί απόψυξης ευνοούν το σχηµατισµό περλιτικής µήτρας, ενώ οι αργοί το σχηµατισµό φερριτικής µήτρας. Για την παραγωγή της τελευταίας ο χυτοσίδηρος υποβάλλεται σε ανόπτηση, ώστε ο εναποµείνας C να διαχυθεί και ενσωµατωθεί στα φυλλίδια γραφίτη. Αυξηµένη π(c) ευνοεί το σχηµατισµό µικρών φυλλιδίων, αλλά αυξάνει το ποσοστό του γραφίτη. Αυξηµένη π(si) ευνοεί το σχηµατισµό µικρών φυλλιδίων, αλλά µε κίνδυνο πλήρους διάσπασης του σεµεντίτη. ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ Εξαρτώνται από το είδος της συνεχούς φάσης και από το ποσοστό και το µέγεθος των φυλλιδίων γραφίτη που δρουν ως εσωτερικές ατέλειες, δηλ. θα προτιµάται η παρουσία µικρών και αποµονωµένων φυλλιδίων. Αντοχή σε εφελκυσµό (UTS): ΜΡa σε φερριτοπερλιτική µήτρα, ΜΡa σε περλιτική µήτρα (κατώτερες του χάλυβα). Πολύ καλλίτερες οι µηχανικές ιδιότητες σε θλίψη. Παραµόρφωση θραύσης (ε f ): <3% (ψαθυρή συµπεριφορά). Σκληρότητα: ΗΒ σε φερριτοπερλιτική µήτρα, ΗΒ σε περλιτική µήτρα. Χαµηλή δυσθραυστότητα Χαµηλή αντοχή σε κρούση. Καλή θερµική αγωγιµότητα. Υψηλή ικανότητα απόσβεσης κραδασµών. Υψηλή αντοχή σε φθορά από τριβή (ο γραφίτης λειτουργεί ως λιπαντικό). Υψηλή αντοχή σε θερµική κόπωση. Προσθήκη Cr, Ni, Mo βελτιώνει τις µηχανικές ιδιότητες. Κατεργασιµότητα πολύ καλλίτερη από εκείνη των λευκών χυτοσιδήρων, λόγω της παρουσίας µαλακών φάσεων (γραφίτης και περλίτης). ΧΡΗΣΗ Κατασκευή αγωγών ύδατος, κυλίνδρων και εµβόλων ΜΕΚ, εδράνων, βάσεων εργαλειοµηχανών µεγάλου βάρους, περιβληµάτων µηχανών, κλπ. ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Μερικές φορές, παρατηρείται µικτή δοµή (φαιού και λευκού χυτοσιδήρου), στην οποία ο γραφίτης έχει τη µορφή στιγµάτων µέσα στη µητρική φάση (περλίτης και σεµεντίτης). Στην περίπτωση αυτή ο χυτοσίδηρος ονοµάζεται στικτός. 3

4 Σχήµα 2. Μικροδοµή φαιού χυτοσιδήρου περλιτικής µήτρας σε διάφορες µεγεθύνσεις (Σύσταση χυτοσιδήρου: Fe - 3,4%C - 2,5%Si - 0,01%P) ΜΑΛΑΚΤΟΙ ΧΥΤΟΣΙ ΗΡΟΙ ΘΕΡΜΙΚΗ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΜΑΛΑΚΤΟΥ ΧΥΤΟΣΙ ΗΡΟΥ Στάδιο 1: Γραφιτίαση Θέρµανση λευκού χυτοσιδήρου σε θερµοκρασία λίγο µεγαλύτερη της ευτηκτοειδούς (~940 ο C). Παραµονή στη θερµοκρασία αυτή 3-20 h, ανάλογα µε τη χηµική σύσταση και τη µικροδοµή του χυτοσιδήρου και το µέγεθος του τεµαχίου. Επιτυγχάνεται ωστενιτοποίηση και µετασχηµατισµός του σεµεντίτη σε γραφίτη υπό τη µορφή κονδυλωµάτων (συσσωµατώµατα ακανόνιστου σφαιρικού σχήµατος και ανώµαλης επιφάνειας). Στάδιο 2: Απόψυξη Με κατάλληλη διαδικασία απόψυξης ο ωστενίτης µετασχηµατίζεται σε φερρίτη, περλίτη ή µαρτενσίτη, οπότε αποκτάται αντίστοιχα: (α) Φερριτικός µαλακτός χυτοσίδηρος ή µαλακτός χυτοσίδηρος µέλανας καρδίας, ο οποίος ονοµάζεται έτσι γιατί παρουσιάζει επιφάνεια θραύσης µε µαύρο πυρήνα λόγω της παρουσίας του γραφίτη. Η εξωτερική περιοχή της επιφάνειας θραύσης είναι λευκή. Η διαδικασία απόψυξης περιλαµβάνει τα στάδια: Αρχική ταχεία απόψυξη στους ο C. Ακολουθεί βραδεία απόψυξη µε ρυθµό 3-11 ο C/h. Ο ωστενίτης µετασχηµατίζεται σε φερρίτη και δευτερογενή γραφίτη. ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Αν ο χυτοσίδηρος υποστεί παρατεταµένη θέρµανση σε υψηλή θερµοκρασία, συµβαίνει απανθράκωση και ο πυρήνας εµφανίζεται λευκός, λόγω απουσίας γραφίτη, ο δε χυτοσίδηρος ονοµάζεται µαλακτός χυτοσίδηρος λευκής καρδίας. 4

5 (β) Περλιτικός µαλακτός χυτοσίδηρος, που προέρχεται από την εξής διαδικασία απόψυξης: Βραδεία απόψυξη µέχρι τους 870 ο C. Ταχύτερη απόψυξη στον αέρα. Ο ωστενίτης µετασχηµατίζεται σε περλίτη. (γ) Μαρτενσιτικός µαλακτός χυτοσίδηρος, µε τα ακόλουθα βήµατα απόψυξης: Απόψυξη σε φούρνο µέχρι τους ο C. Παραµονή στη θερµοκρασία αυτή για min (οµογενοποίηση του υλικού). Βαφή σε λάδι. Επαναφορά τους 1100 ο 1340 ο C. Ο ωστενίτης µετασχηµατίζεται σε µαρτενσίτη από επαναφορά. ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ (Πίν. 3) Οι τιµές τους κυµαίνονται µεταξύ των αντίστοιχων τιµών των χαλύβων και των φαιών χυτοσιδήρων. Πίνακας 3: Μηχανικές ιδιότητες µαλακτών χυτοσιδήρων Μητρική δοµή Όριο διαρροής Αντοχή σε εφελκυσµό Επιµήκυνση θραύσης (%) Σκληρότητα (ΗΒ) Φερριτική ~240 ~ Φερριτοµαρτ/τική ~310 ~ Μαρτενσιτική ~480 ~ Πολύ καλή κατεργασιµότητα. Καλή αντοχή σε φθορά και διάβρωση ΧΡΗΣΗ Κατασκευή ακτίνων τροχών, µοχλών και σκελετών ποδηλάτων και µοτοσυκλετών, κλπ. ΕΛΑΤΟΙ ΧΥΤΟΣΙ ΗΡΟΙ Η ΧΥΤΟΣΙ ΗΡΟΙ ΣΦΑΙΡΟΕΙ ΟΥΣ ΓΡΑΦΙΤΗ Προέρχονται από τους φαιούς χυτοσιδήρους αν πριν τη χύτευσή τους προστεθεί στο τήγµα 0,1% Mg υπό τη µορφή κράµατος Mg-Ni ή Mg-Fe-Si. ΜΙΚΡΟ ΟΜΗ Συµπαγής σφαιροειδής γραφίτης σε φερριτική, περλιτική ή φερριτοπερλιτική µήτρα, ανάλογα µε τη διαδικασία απόψυξης, βλ. Σχ. 3. ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ (Πίν. 4) Μηχανικές ιδιότητες συγκρίσιµες µε αυτές των χαλύβων (υψηλή αντοχή, καλή δυσθραυστότητα, καλή εµβαπτότητα). Πίνακας 4: Μηχανικές ιδιότητες ελατών χυτοσιδήρων Μητρική δοµή Όριο διαρροής Αντοχή σε εφελκυσµό Επιµήκυνση θραύσης (%) Σκληρότητα (ΗΒ) Φερριτική ~280 ~ Φερριτοπερλιτική ~420 ~ Μαρτενσιτική ~630 ~ Εξαιρετική κατεργασιµότητα. Πολύ καλή αντοχή σε φθορά λόγω τριβής. Υψηλή αντοχή σε κρουστική ή εναλλασσόµενη φόρτιση. 5

6 ΧΡΗΣΗ Κατασκευή κυλίνδρων, αγωγών, αντλιών, διακοπτών, οδοντωτών τροχών και γενικά εξαρτηµάτων που υφίστανται κρούσεις ή εναλλασσόµενα φορτία. Σχήµα 3. Μικροδοµή ελατού χυτοσιδήρου περλιτικής µήτρας σε διάφορες µεγεθύνσεις (Σύσταση χυτοσιδήρου: Fe - 3,4%C - 2,5%Si - 0,01P- 0,03%Mg) ΙΣΧΥΡΑ ΚΡΑΜΑΤΩΜΕΝΟΙ ΧΥΤΟΣΙ ΗΡΟΙ ΚΡΑΜΑΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ: Si, Cr, Ni, Al, Μο, βλ. Πίν. 1. ΕΙ Η ΙΣΧΥΡΑ ΚΡΑΜΑΤΩΜΕΝΩΝ ΧΥΤΟΣΙ ΗΡΩΝ (α) Λευκοί χυτοσίδηροι υψηλής αντοχής σε τριβή φθορά Περιέχουν Ni και Cr ή Μο. Κατά την απόψυξη του λευκού χυτοσιδήρου ο ωστενίτης µπορεί να µετατραπεί σε περλίτη, µαρτενσίτη ή µπαινίτη. Χρήση: Κατασκευή εργαλείων και µηχανηµάτων εκσκαφής. (β) Χυτοσίδηροι υψηλής αντοχής σε διάβρωση Περιέχουν υψηλά ποσοστά Si, Cr ή Ni. Υψηλής αντοχής σε διάβρωση από οξειδωτικό περιβάλλον. Χαµηλή κατεργασιµότητα λόγω των υψηλών ποσοστών Si. (γ) Χυτοσίδηροι υψηλής µηχανικής αντοχής εν θερµώ Προστίθενται Si, Cr, Ni, Mo, Cu ή Αl σε φαιούς ή ελατούς χυτοσιδήρους, βελτιώνοντας τις ιδιότητες τους σε υψηλότερες θερµοκρασίες (αντοχή σε διάβρωση και µηχανική αντοχή, αντίστοιχα). 6