Серое железо

Серый чугун , или серый чугун , представляет собой разновидность чугуна , имеющую графитовую микроструктуру. Он назван в честь серого цвета образуемого им излома , что обусловлено наличием графита. ^{[ 1 ]} Это наиболее распространенный чугун и наиболее широко используемый литой материал в зависимости от веса. ^{[ 2 ]}

Он используется для корпусов, где жесткость компонента более важна, чем его прочность на разрыв , например, двигателей внутреннего сгорания блоки цилиндров , корпуса насосов , корпуса клапанов, электрические коробки и декоративное литье . серого чугуна Высокая теплопроводность и удельная теплоемкость часто используются для изготовления чугунной посуды и роторов дисковых тормозов . ^{[ 3 ]}

Его прежнее широкое использование ^{[ объяснить ]} тормоза грузовых поездов значительно сократили В Европейском Союзе из-за опасений по поводу шумового загрязнения . ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Например, Deutsche Bahn к 2019 году заменила тормоза из серого железа на 53 000 своих грузовых вагонов (85% их парка) на более новые и более тихие модели — отчасти для того, чтобы соответствовать закону, вступившему в силу в декабре 2020 года. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

Структура

Типичный химический состав для получения графитовой микроструктуры составляет от 2,5 до 4,0% углерода и от 1 до 3% кремния по весу. Графит может занимать от 6 до 10% объема серого чугуна. Кремний важен для производства серого чугуна, в отличие от белого чугуна , поскольку кремний является элементом, стабилизирующим графит в чугуне, что означает, что он помогает сплаву производить графит вместо карбидов железа ; при 3% кремния углерод почти не содержится в химической форме в виде карбида железа. Другим фактором, влияющим на графитацию, является скорость затвердевания; чем медленнее скорость, тем больше времени потребуется углероду на диффузию и накопление в графит. Умеренная скорость охлаждения формирует более перлитную матрицу, тогда как высокая скорость охлаждения формирует более ферритную матрицу. Чтобы получить полностью ферритную матрицу, сплав необходимо отжечь . ^{[ 1 ]}^{[ 11 ]} Быстрое охлаждение частично или полностью подавляет графитацию и приводит к образованию цементита , называемого белым чугуном . ^{[ 12 ]}

Графит принимает форму трехмерной чешуйки. В двух измерениях на полированной поверхности чешуйки графита выглядят как тонкие линии. Графит не обладает заметной прочностью, поэтому их можно рассматривать как пустоты. Кончики чешуек действуют как уже существующие выемки, в которых концентрируются напряжения, и поэтому они ведут себя хрупко . ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} Наличие чешуек графита делает серый чугун легко обрабатываемым, поскольку они имеют тенденцию легко растрескиваться через чешуйки графита. Серый чугун также обладает очень хорошей демпфирующей способностью и поэтому часто используется в качестве основы для крепления станков.

Классификации

В Соединенных Штатах наиболее часто используемой классификацией серого чугуна является международный стандарт ASTM A48 . ^{[ 2 ]} Это распределяет серый чугун по классам , которые соответствуют его минимальному пределу прочности на разрыв в тысячах фунтов на квадратный дюйм (тысячи фунтов на квадратный дюйм); например, серый чугун класса 20 имеет минимальную прочность на разрыв 20 000 фунтов на квадратный дюйм (140 МПа). Класс 20 имеет высокий углеродный эквивалент и ферритовую матрицу. Серые чугуны более высокой прочности, до класса 40, имеют более низкие эквиваленты углерода и перлитную матрицу. Серый чугун класса выше 40 требует легирования для обеспечения упрочнения твердого раствора , а термообработку для модификации матрицы применяют . Класс 80 — высший доступный класс, но он чрезвычайно хрупок. ^{[ 12 ]} ASTM A247 также широко используется для описания структуры графита. Другие стандарты ASTM, касающиеся серого чугуна, включают ASTM A126 , ASTM A278 и ASTM A319 . ^{[ 2 ]}

В автомобильной промышленности международный стандарт SAE (SAE) SAE J431 используется для обозначения марок вместо классов . Эти марки являются мерой отношения прочности на разрыв к твердости по Бринеллю . ^{[ 2 ]} Изменение модуля упругости при растяжении различных марок отражает процентное содержание графита в материале, поскольку такой материал не имеет ни прочности, ни жесткости, а пространство, занимаемое графитом, действует как пустота, создавая тем самым губчатый материал.

Свойства серого чугуна класса ASTM A48 ^{[ 14 ]}
Сорт	Растяжимый сила (тысячи фунтов на квадратный дюйм)	Сжимающий сила (тысячи фунтов на квадратный дюйм)	Модуль упругости, Е ( МПС )
20	22	83	10
30	31	109	14
40	57	140	18
60	62.5	187.5	21

Свойства серого чугуна марок SAE J431 ^{[ 14 ]}
Оценка	Твердость по Бринеллю	т/ч ^†	Описание
Г1800	120–187	135	Ферритно-перлитный
Г2500	170–229	135	Перлитно-ферритный
Г3000	187–241	150	Перлитовый
Г3500	207–255	165	Перлитовый
Г4000	217–269	175	Перлитовый
^†t/h = предел прочности/твердость

Преимущества и недостатки

Серый чугун является распространенным конструкционным сплавом из-за его относительно низкой стоимости и хорошей обрабатываемости , что обусловлено тем, что графит смазывает рез и разбивает стружку. Он также обладает хорошей к истиранию и устойчивостью износу , поскольку чешуйки графита самосмазываются. Графит также придает серому чугуну превосходную демпфирующую способность , поскольку он поглощает энергию и преобразует ее в тепло. ^{[ 3 ]} Серое железо нельзя обрабатывать (ковать, прессовать, прокатывать и т. д.) даже при температуре.

Относительная демпфирующая способность различных металлов ^{[ 15 ]}
Материалы	Демпфирующая способность ^†
Серый чугун (высокоуглеродный эквивалент )	100–500
Серый чугун (низкоуглеродный эквивалент)	20–100
Ковкий чугун	5–20
Ковкое железо	8–15
Белое железо	2–4
Сталь	4
Алюминий	0.47
^†Натуральный логарифм отношения последовательных амплитуд

Серый чугун также испытывает меньшую усадку при затвердевании , чем другие чугуны, которые не образуют графитовой микроструктуры. Кремний обеспечивает хорошую коррозионную стойкость и повышенную текучесть при литье. ^{[ 12 ]} Серый чугун обычно считается легко свариваемым. ^{[ 16 ]} По сравнению с более современными железными сплавами серый чугун имеет низкую прочность на разрыв и пластичность ; следовательно, его ударопрочность и ударопрочность практически отсутствуют. ^{[ 16 ]}

См. также

Механит

Примечания

^ Перейти обратно: ^а ^б Смит и Хашеми 2006 , с. 431.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Швейцер 2003 , с. 72.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Введение в металлургию тормозных роторов из серого чугуна» (PDF) . САЭ . Проверено 24 мая 2011 г.
^ «Мероприятия по снижению шума на действующем подвижном составе» . Комиссия Европейских сообществ (pdf) (на немецком языке). 8 июля 2008 г.
^ Томас, Питер. «Против шума грузовых поездов: с бесшумными тормозами и звуковыми барьерами» . Фаз.нет .
^ Томас, Питер. «Железнодорожное движение: Против шума грузовых поездов – Технологии и двигатели – ФАЗ» . Фаз.нет .
^ «Железнодорожное движение стало значительно тише | Pro-Rail Alliance» . 12 ноября 2021 г.
^ «Прогресс DB в снижении шумового загрязнения при железнодорожных грузовых перевозках | Железнодорожные новости» . 23 апреля 2019 г.
^ «Для малошумных грузовых поездов: Мобильные сервисные бригады заменяют тормозные колодки в любом месте» . www.db-fzi.com . Архивировано из оригинала 16 ноября 2021 г. Проверено 16 ноября 2021 г.
^ «Закон о снижении уровня шума на железнодорожном транспорте | Deutsche Bahn AG» . Архивировано из оригинала 6 февраля 2023 г. Проверено 16 ноября 2021 г.
^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 432.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Дегармо, Блэк и Кохсер 2003 , с. 77.
^ Дегармо, Блэк и Кохсер 2003 , стр. 76.
^ Перейти обратно: ^а ^б Швейцер 2003 , с. 73.
^ «Механические свойства серого чугуна – демпфирующая способность» . www.atlasfdry.com .
^ Перейти обратно: ^а ^б Миллер, Марк Р. (2007), Учебное пособие по экзамену на получение лицензии на сварку , McGraw-Hill Professional, стр. 191, ИСБН 9780071709972 .

Ссылки

Дегармо, Э. Пол; Блэк, Джей Т.; Кохсер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, ISBN 9780471033066 .
Швейцер, Филип А. (2003), Металлические материалы , CRC Press, ISBN 9780203912423 .
Смит, Уильям Ф.; Хашеми, Джавад (2006), Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.), McGraw-Hill, ISBN 9780072921946 .

Дальнейшее чтение

Стефанеску, Дору Майкл (2002), Наука и техника затвердевания отливок , Springer, ISBN 978-0-306-46750-9 .

[smith431-1] Перейти обратно: ^а ^б Смит и Хашеми 2006 , с. 431.

[schweitzer72-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Швейцер 2003 , с. 72.

[Intro-Ihm-3] Перейти обратно: ^а ^б «Введение в металлургию тормозных роторов из серого чугуна» (PDF) . САЭ . Проверено 24 мая 2011 г.

[4] «Мероприятия по снижению шума на действующем подвижном составе» . Комиссия Европейских сообществ (pdf) (на немецком языке). 8 июля 2008 г.

[5] Томас, Питер. «Против шума грузовых поездов: с бесшумными тормозами и звуковыми барьерами» . Фаз.нет .

[6] Томас, Питер. «Железнодорожное движение: Против шума грузовых поездов – Технологии и двигатели – ФАЗ» . Фаз.нет .

[7] «Железнодорожное движение стало значительно тише | Pro-Rail Alliance» . 12 ноября 2021 г.

[8] «Прогресс DB в снижении шумового загрязнения при железнодорожных грузовых перевозках | Железнодорожные новости» . 23 апреля 2019 г.

[9] «Для малошумных грузовых поездов: Мобильные сервисные бригады заменяют тормозные колодки в любом месте» . www.db-fzi.com . Архивировано из оригинала 16 ноября 2021 г. Проверено 16 ноября 2021 г.

[10] «Закон о снижении уровня шума на железнодорожном транспорте | Deutsche Bahn AG» . Архивировано из оригинала 6 февраля 2023 г. Проверено 16 ноября 2021 г.

[11] Смит и Хашеми 2006 , стр. 432.

[degarmo77-12] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Дегармо, Блэк и Кохсер 2003 , с. 77.

[13] Дегармо, Блэк и Кохсер 2003 , стр. 76.

[schweitzer73-14] Перейти обратно: ^а ^б Швейцер 2003 , с. 73.

[15] «Механические свойства серого чугуна – демпфирующая способность» . www.atlasfdry.com .

[miller-16] Перейти обратно: ^а ^б Миллер, Марк Р. (2007), Учебное пособие по экзамену на получение лицензии на сварку , McGraw-Hill Professional, стр. 191, ИСБН 9780071709972 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]