סוגי ברזל יצוק, סיווג, הרכב, מאפיינים, סימון ויישום

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

כיום אין כמעט תחום בחיי אדם שבו לא משתמשים בברזל יצוק. חומר זה ידוע לאנושות כבר די הרבה זמן והוכיח את עצמו מצוין מבחינה מעשית. ברזל יצוק הוא הבסיס למגוון גדול של חלקים, מכלולים ומנגנונים, ובמקרים מסוימים אף מוצר עצמאי המסוגל לבצע את הפונקציות המוקצות לו. לכן, במאמר זה נקדיש תשומת לב רבה לתרכובת המכילה ברזל זו. כמו כן, נגלה מהם סוגי ברזל יצוק, תכונותיהם הפיזיקליות והכימיות.

הגדרה

ברזל יצוק הוא סגסוגת ייחודית באמת של ברזל ופחמן, שבה Fe הוא יותר מ-90%, ו-C הוא לא יותר מ-6.67%, אך לא פחות מ-2.14%. כמו כן, ניתן למצוא פחמן בברזל יצוק בצורה של צמנטיט או גרפיט.

פחמן מעניק לסגסוגת קשיות גבוהה מספיק, אולם במקביל, הוא מפחית את הגמישות והגמישות. כתוצאה מכך, ברזל יצוק הוא חומר שביר. כמו כן, תוספים מיוחדים מתווספים לדרגות מסוימות של ברזל יצוק, אשר יכולים להעניק לתרכובת תכונות מסוימות. התפקיד של אלמנטים סגסוגת יכול להיות: ניקל, כרום, ונדיום, אלומיניום. מדד הצפיפות של ברזל יצוק הוא 7200 קילוגרם למטר מעוקב. שממנו ניתן להסיק שהמשקל של ברזל יצוק הוא אינדיקטור שאי אפשר לקרוא לו קטן.

רקע היסטורי

התכת ברזל כבר מזמן ידועה לאדם. האזכור הראשון של הסגסוגת מתוארך למאה השישית לפני הספירה.

בימי קדם, סין ייצרה ברזל יצוק עם נקודת התכה נמוכה למדי. ברזל יצוק החל להיות מיוצר באירופה בסביבות המאה ה-14, כאשר נעשה שימוש לראשונה בתנורי פיצוץ. באותה תקופה, יציקת ברזל כזו שימשה לייצור נשק, פגזים, חלקי בנייה.

ברוסיה, ייצור ברזל יצוק החל באופן פעיל במאה ה-16 ולאחר מכן התרחב במהירות. בתקופתו של פיטר הראשון, האימפריה הרוסית הצליחה לעקוף את כל מדינות העולם מבחינת ייצור ברזל, אך כעבור מאה שנים היא החלה שוב לאבד קרקע בשוק המתכות הברזל.

ברזל יצוק שימש ליצירת מגוון יצירות אמנות מאז ימי הביניים. בפרט, במאה ה-10, מאסטרים סינים יצקו דמות ייחודית באמת של אריה, שמשקלו עלה על 100 טון. החל מהמאה ה-15 בגרמניה, ולאחריה במדינות אחרות, הפכה יציקת ברזל יצוק לנפוצה. נעשו ממנו גדרות, סריג, פסלי פארק, ריהוט גן, מצבות.

בשנים האחרונות של המאה ה-18, יציקת ברזל הייתה מעורבת בעיקר באדריכלות של רוסיה. והמאה ה-19 כונתה בדרך כלל "עידן הברזל היצוק", מכיוון שהסגסוגת הייתה בשימוש פעיל מאוד באדריכלות.

תכונות

ישנם סוגים שוניםברזל יצוק, לעומת זאת, נקודת ההיתוך הממוצעת של תרכובת מתכת זו היא בערך 1200 מעלות צלזיוס. נתון זה הוא 250-300 מעלות פחות מהנדרש לייצור פלדה. הבדל זה קשור לתכולת פחמן גבוהה למדי, מה שמוביל לקשרים פחות קרובים שלו עם אטומי ברזל ברמה המולקולרית.

בזמן ההתכה וההתגבשות שלאחר מכן, לפחמן הכלול בברזל יצוק אין זמן לחדור לחלוטין לתוך הסריג המולקולרי של הברזל, ולכן ברזל יצוק מתגלה בסופו של דבר כשביר למדי. בהקשר זה, הוא אינו משמש כאשר ישנם עומסים דינמיים קבועים. אבל יחד עם זאת, זה מצוין עבור אותם חלקים שיש להם דרישות מוגברות לחוזק.

טכנולוגיית ייצור

לחלוטין כל סוגי הברזל היצוק מיוצרים בכבשן פיצוץ. למעשה, תהליך ההיתוך עצמו הוא פעילות עמלנית למדי הדורשת השקעות חומריות רציניות. טון אחד של ברזל חזיר דורש כ-550 קילוגרם של קולה וכמעט טון מים. נפח העפרות שיועמס לתוך הכבשן יהיה תלוי בתכולת הברזל. לרוב, נעשה שימוש בעפרה, שבה ברזל הוא לפחות 70%. ריכוז נמוך יותר של האלמנט אינו רצוי, מכיוון שלא יהיה חסכוני להשתמש בו.

הפקה שלב ראשון

התכת ברזל היא כדלקמן. קודם כל, עפרה מוזגת לתוך הכבשן, כמו גם ציוני פחם קוקינג, המשמשים ללחוץ ולשמור על הטמפרטורה הנדרשת בתוך פיר הכבשן. בנוסף, מוצרים אלה במהלך תהליך הבעירה מעורבים באופן פעיל בתגובות הכימיות המתמשכות בתפקידם של חומרים להפחתת ברזל.

במקביל, שטף מועמס לתוך התנור, המשמש כזרז. זה עוזר לסלעים להימס מהר יותר, מה שמקדם את שחרור הברזל.

חשוב לציין שהעפרה עוברת טיפול מקדים מיוחד לפני העמסת הכבשן. הוא נמעך במפעל ריסוק (חלקיקים קטנים נמסים מהר יותר). לאחר מכן הוא נשטף כדי להסיר חלקיקים נטולי מתכת. לאחר מכן נורה חומר הגלם, בשל כך מסירים ממנו גופרית ושאר יסודות זרים.

שלב שני בהפקה

גז טבעי מסופק לתנור עמוס ומוכן לפעולה באמצעות מבערים מיוחדים. הקולה מחמם את חומר הגלם. במקרה זה משתחרר פחמן שמתחבר עם חמצן ויוצר תחמוצת. תחמוצת זו לוקחת לאחר מכן חלק בהחלמת הברזל מהעפרה. שימו לב שעם עלייה בכמות הגז בתנור, קצב התגובה הכימית יורד, וכאשר מגיעים ליחס מסוים היא נעצרת כליל.

עודף פחמן חודר אל ההמסה ומתחבר עם הברזל, ויוצר בסופו של דבר ברזל יצוק. כל אותם אלמנטים שלא נמסו נמצאים על פני השטח ובסופו של דבר מוסרים. פסולת זו נקראת סיגים. זה יכול לשמש גם לייצור חומרים אחרים. סוגי ברזל יצוק המתקבלים בדרך זו נקראים ברזל יציקה וברזל חזיר.

דיפרנציאציה

הסיווג המודרני של ברזל יצוק מספק חלוקה של סגסוגות אלו לסוגים הבאים:

• לבן.
• חצי.
• אפור עם פתיתי גרפיט.
• גרפיט נודולרי בחוזק גבוה.
• Ductile.

בואו נסתכל על כל אחד בנפרד.

ברזל יצוק לבן

ברזל יצוק זה הוא זה שבו כמעט כל הפחמן קשור כימית. בהנדסת מכונות, סגסוגת זו אינה משמשת לעתים קרובות מאוד, כי היא קשה, אבל מאוד שבירה. כמו כן, לא ניתן לעבד אותו עם כלי חיתוך שונים, ולכן משמש ליציקת חלקים שאינם דורשים כל עיבוד. אמנם סוג זה של ברזל יצוק מאפשר השחזה עם גלגלים שוחקים. ברזל יצוק לבן יכול להיות גם רגיל וגם סגסוגת. יחד עם זאת, ריתוך שלו גורם לקשיים, שכן הוא מלווה בהיווצרות סדקים שונים בזמן קירור או חימום, וגם בשל ההטרוגניות של המבנה שנוצר בנקודת הריתוך.

ברזל יצוק לבנים עמידים בפני שחיקה מתקבלים על ידי התגבשות ראשונית של סגסוגת נוזלית במהלך קירור מהיר. הם משמשים לרוב עבור יישומי חיכוך יבש (למשל רפידות בלמים) או לייצור חלקים בעלי עמידות מוגברת לבלאי וחום (גלילים לגלגול).

אגב, ברזל יצוק לבן קיבל את שמו בשל העובדה שמראה השבר שלו הוא משטח בהיר-גבישי וזוהר. המבנה של ברזל יצוק זה הוא שילוב של לידבוריט, פרלייט וצמנטיט משני. אם ברזל יצוק זה סגסוגת, אז פרלייט הופך לtroostite, austenite או martensite.

חצי ברזל יצוק

הסיווג של ברזל יצוק לא יהיה שלם מבלי להזכיר את המגוון הזה של סגסוגת מתכת.

ברזל יצוק זה מאופיין בשילוב של אאוטטיקה קרביד וגרפיט במבנה שלו. באופן כללי, למבנה המלא יש את הצורה הבאה: גרפיט, פרלייט, ledeבוריט. אם הברזל היצוק נתון לטיפול בחום או לסגסוגת, הדבר יוביל להיווצרות אוסטניט, מרטנזיט או טרוסטיט עגול.

סוג זה של ברזל יצוק שביר למדי, ולכן השימוש בו מוגבל מאוד. הסגסוגת עצמה קיבלה את שמה בגלל השבר שלה הוא שילוב של אזורים כהים ובהירים של המבנה הגבישי.

החומר ההנדסי הנפוץ ביותר

ברזל יצוק אפור GOST 1412-85 מכיל כ-3.5% פחמן, מ-1.9 עד 2.5% סיליקון, עד 0.8% מנגן, עד 0.3% זרחן ופחות מ-0, 12% גופרית.

לגרפיט בברזל יצוק כזה יש צורה למלרית. זה לא דורש שינוי מיוחד.

ללוחות הגרפיט יש אפקט היחלשות חזק ולכן ברזל יצוק אפור מאופיין בחוזק פגיעה נמוך מאוד והיעדר כמעט מוחלט של התארכות (פחות מ-0.5%).

ברזל יצוק אפור מעובד היטב. מבנה הסגסוגת יכול להיות כדלקמן:

• פריט-גרפיט.
• פריט-פרלייט-גרפיט.
• גרפיט פרלייט.

ברזל יצוק אפור עובד הרבה יותר טוב בדחיסה מאשר במתח. הוא גםריתוך די טוב, אבל זה מצריך חימום מוקדם, ויש להשתמש במוטות ברזל יצוק מיוחדים עם תכולה גבוהה של סיליקון ופחמן כחומר מילוי. ללא חימום מוקדם, הריתוך יהיה קשה מכיוון שהברזל היצוק ילבין באזור הריתוך.

ברזל יצוק אפור משמש לייצור חלקים הפועלים ללא העמסת זעזועים (גלגלות, כיסויים, מיטות).

הייעוד של ברזל יצוק זה מתרחש על פי העיקרון הבא: SCH 25-52. שתי אותיות מצביעות על כך שמדובר בברזל יצוק אפור, המספר 25 הוא אינדיקטור לחוזק המתיחה (ב MPa או kgf / mm 2), המספר 52 הוא חוזק המתיחה כרגע של כיפוף.

ברזל גמיש

ברזל יצוק נודולרי שונה מהותית מ"אחיו" אחרים בכך שהוא מכיל גרפיט נודולרי. זה מתקבל על ידי החדרת חומרים מיוחדים (Mg, Ce) לתוך הסגסוגת הנוזלית. מספר תכלילי הגרפיט והממדים הליניאריים שלהם יכולים להיות שונים.

מה טוב בגרפיט כדורי? העובדה שצורה כזו מחלישה באופן מינימלי את בסיס המתכת, אשר, בתורו, יכול להיות פניני, פריטי או פנילי-פריטי.

עקב שימוש בטיפול בחום או סגסוגת, בסיס הברזל היצוק יכול להיות אצילי-טרוסטיט, מרטנסיטי, אוסטניטי.

דרגות של ברזל רקיע הן שונות, אבל במונחים כלליים, ייעודו הוא כדלקמן: VCh 40-5. קל לנחש ש-HF הוא ברזל יצוק בעל חוזק גבוה, המספר 40 הוא אינדיקטורחוזק מתיחה (kgf/mm2), המספר 5 הוא ביחס להתארכות, מבוטא באחוזים.

ברזל גמיש

המבנה של ברזל רקיע הוא נוכחות של גרפיט בו בצורה מתקלפת או כדורית. יחד עם זאת, גרפיט מתקלף יכול להיות בעל עדינות ודחיסות שונות, אשר, בתורו, משפיע ישירות על התכונות המכניות של ברזל יצוק.

ברזל רקיע תעשייתי מיוצר לעתים קרובות עם בסיס פריטי, המספק גמישות רבה יותר.

למראה השבר של ברזל רקיע פריטי יש מראה קטיפתי שחור. ככל שכמות הפרליט במבנה גבוהה יותר, כך השבר יהפוך לקל יותר.

באופן כללי, ברזל רקיע מתקבל מיציקות ברזל לבנות עקב נטישה ארוכה בתנורים שחוממו לטמפרטורה של 800-950 מעלות צלזיוס.

היום, יש שתי דרכים לייצר ברזל רקיע: אירופאי ואמריקאי.

השיטה האמריקאית היא לטשטש את הסגסוגת בחול בטמפרטורה של 800-850 מעלות. בתהליך זה, גרפיט ממוקם בין גרגירי הברזל הטהור ביותר. כתוצאה מכך, ברזל יצוק הופך לצמיג.

בשיטה האירופית, יציקות נמקות בעפרות ברזל. הטמפרטורה במקביל היא כ-850-950 מעלות צלזיוס. פחמן עובר לעפרת ברזל, עקב כך שכבת פני השטח של היציקות מפורקת והופכת לרכה. ברזל יצוק הופך לגמיש, בעוד הליבה נשארת שבירה.

סימון ברזל ברזל: KCh 40-6, כאשר KCh הוא, כמובן, ברזל ברזל; 40 - מדד חוזק מתיחה;6 – התארכות, %.

אינדיקטורים אחרים

באשר לחלוקת ברזל יצוק לפי חוזק, הסיווג הבא מיושם כאן:

• חוזק אופייני: σv עד 20 ק"ג/מ"מ2.
• חוזק מוגבר: σv=20 - 38 ק"ג/מ"מ2.
• חוזק גבוה: σv=40 kg/mm2 ומעלה.

לפי משיכות, ברזל יצוק מחולקים ל:

• לא גמיש - התארכות של פחות מ-1%.
• פלסטיק נמוך - מ-1% ל-5%.
• פלסטיק - מ-5% ל-10%.
• גמישות מוגברת - יותר מ-10%.

לסיכום, אני גם רוצה לציין שהמאפיינים של כל ברזל יצוק מושפעים בצורה די משמעותית אפילו מהצורה ומהאופי של היציקה.