ประเภทของเหล็กหล่อ การจำแนก องค์ประกอบ คุณสมบัติ การทำเครื่องหมาย และการใช้งาน

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 10:42

วันนี้แทบไม่มีพื้นที่ของชีวิตมนุษย์ที่ไม่ได้ใช้เหล็กหล่อ มนุษย์รู้จักวัสดุนี้มาเป็นเวลานานและได้พิสูจน์ตัวเองอย่างยอดเยี่ยมจากมุมมองเชิงปฏิบัติ เหล็กหล่อเป็นพื้นฐานของชิ้นส่วน ส่วนประกอบและกลไกที่หลากหลาย และในบางกรณี แม้แต่ผลิตภัณฑ์แบบพอเพียงที่สามารถทำหน้าที่ตามที่ได้รับมอบหมายได้ ดังนั้นในบทความนี้เราจะให้ความสนใจเป็นพิเศษกับสารประกอบที่มีธาตุเหล็กนี้ นอกจากนี้เรายังจะค้นหาว่าเหล็กหล่อมีกี่ประเภท ลักษณะทางกายภาพและทางเคมีของเหล็กเหล่านี้

คำจำกัดความ

เหล็กหล่อเป็นโลหะผสมที่มีลักษณะเฉพาะอย่างแท้จริงของเหล็กและคาร์บอน โดยที่ Fe มีค่ามากกว่า 90% และ C ไม่เกิน 6.67% แต่ไม่น้อยกว่า 2.14% นอกจากนี้ คาร์บอนยังสามารถพบได้ในเหล็กหล่อในรูปของซีเมนต์หรือกราไฟต์

คาร์บอนทำให้อัลลอยด์มีความแข็งสูงพอสมควร แต่ในขณะเดียวกันก็ช่วยลดความเหนียวและความเหนียว ส่งผลให้เหล็กหล่อเป็นวัสดุที่เปราะ นอกจากนี้ยังมีการเพิ่มสารเติมแต่งพิเศษในเหล็กหล่อบางเกรด ซึ่งสามารถให้คุณสมบัติบางอย่างของสารประกอบได้ บทบาทของโลหะผสมสามารถเป็น: นิกเกิล, โครเมียม, วาเนเดียม, อลูมิเนียม ดัชนีความหนาแน่นของเหล็กหล่อคือ 7200 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ซึ่งสรุปได้ว่าน้ำหนักของเหล็กหล่อเป็นตัวบ่งชี้ที่ไม่สามารถเรียกได้ว่าเล็ก

ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์

มนุษย์รู้จักการถลุงเหล็กมานานแล้ว การกล่าวถึงโลหะผสมครั้งแรกนั้นมีอายุย้อนไปถึงศตวรรษที่ 6 ก่อนคริสตกาล

ในสมัยโบราณ จีนผลิตเหล็กหล่อที่มีจุดหลอมเหลวค่อนข้างต่ำ เหล็กหล่อเริ่มผลิตในยุโรปราวศตวรรษที่ 14 เมื่อมีการใช้เตาหลอมแบบถลุงแร่เป็นครั้งแรก ในขณะนั้นการหล่อเหล็กดังกล่าวถูกนำมาใช้ในการผลิตอาวุธ กระสุนปืน ชิ้นส่วนก่อสร้าง

ในรัสเซีย การผลิตเหล็กหล่อเริ่มต้นอย่างแข็งขันในศตวรรษที่ 16 และขยายตัวอย่างรวดเร็ว ในช่วงเวลาของปีเตอร์ที่ 1 จักรวรรดิรัสเซียสามารถข้ามประเทศทั้งหมดในโลกในแง่ของการผลิตเหล็ก แต่ร้อยปีต่อมาก็เริ่มสูญเสียพื้นดินอีกครั้งในตลาดโลหะการเหล็ก

เหล็กหล่อถูกนำมาใช้เพื่อสร้างงานศิลปะที่หลากหลายตั้งแต่ยุคกลาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในศตวรรษที่ 10 ปรมาจารย์ชาวจีนหล่อรูปสิงโตที่มีเอกลักษณ์อย่างแท้จริงซึ่งมีน้ำหนักเกิน 100 ตัน เริ่มตั้งแต่ศตวรรษที่ 15 ในประเทศเยอรมนี และหลังจากนั้นในประเทศอื่น ๆ การหล่อเหล็กหล่อเริ่มแพร่หลาย รั้ว โครงตาข่าย ประติมากรรมในสวน เฟอร์นิเจอร์ในสวน หลุมฝังศพ

ในปีสุดท้ายของศตวรรษที่ 18 การหล่อเหล็กเป็นส่วนที่เกี่ยวข้องกับสถาปัตยกรรมของรัสเซียมากที่สุด และศตวรรษที่ 19 โดยทั่วไปเรียกว่า "ยุคเหล็กหล่อ" เนื่องจากโลหะผสมถูกใช้อย่างแข็งขันในสถาปัตยกรรม

คุณสมบัติ

มีหลายประเภทเหล็กหล่อมีจุดหลอมเหลวเฉลี่ยของสารประกอบโลหะนี้อยู่ที่ประมาณ 1200 องศาเซลเซียส ตัวเลขนี้น้อยกว่าที่จำเป็นสำหรับการผลิตเหล็ก 250-300 องศา ความแตกต่างนี้สัมพันธ์กับปริมาณคาร์บอนที่ค่อนข้างสูง ซึ่งนำไปสู่พันธะที่ใกล้ชิดน้อยกว่ากับอะตอมของเหล็กในระดับโมเลกุล

ในช่วงเวลาของการหลอมและการตกผลึกที่ตามมา คาร์บอนที่บรรจุอยู่ในเหล็กหล่อไม่มีเวลาที่จะเจาะเข้าไปในโครงข่ายโมเลกุลของเหล็กได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้นเหล็กหล่อจึงค่อนข้างเปราะ ในเรื่องนี้จะไม่ใช้ในกรณีที่มีการโหลดแบบไดนามิกคงที่ แต่ในขณะเดียวกันก็ยอดเยี่ยมสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องการความแข็งแกร่งที่เพิ่มขึ้น

เทคโนโลยีการผลิต

เหล็กหล่อทุกชนิดผลิตในเตาหลอม อันที่จริง กระบวนการถลุงแร่นั้นเป็นกิจกรรมที่ค่อนข้างลำบากซึ่งต้องใช้เงินลงทุนวัสดุอย่างจริงจัง เหล็กหมูหนึ่งตันต้องการโค้กประมาณ 550 กิโลกรัมและน้ำเกือบหนึ่งตัน ปริมาณแร่ที่บรรจุลงในเตาเผาจะขึ้นอยู่กับปริมาณธาตุเหล็ก ส่วนใหญ่มักใช้แร่ซึ่งมีธาตุเหล็กอย่างน้อย 70% ความเข้มข้นที่ต่ำกว่าขององค์ประกอบเป็นสิ่งที่ไม่พึงปรารถนา เนื่องจากจะไม่ประหยัดหากใช้

ผลิตสเตจแรก

เหล็กถลุงตามนี้นะครับ ประการแรกแร่จะถูกเทลงในเตาเผารวมถึงถ่านโค้กซึ่งทำหน้าที่เพิ่มแรงดันและรักษาอุณหภูมิที่ต้องการภายในเพลาเตาหลอม นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ในระหว่างกระบวนการเผาไหม้ยังมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีอย่างต่อเนื่องในบทบาทของสารลดธาตุเหล็ก

ในขณะเดียวกัน ฟลักซ์ก็ถูกโหลดเข้าไปในเตาหลอม ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ช่วยให้หินละลายเร็วขึ้นซึ่งช่วยกระตุ้นการปล่อยเหล็ก

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าแร่ผ่านการบำบัดพิเศษก่อนบรรจุเข้าเตาหลอม มันถูกบดในโรงบด (อนุภาคขนาดเล็กละลายเร็วขึ้น) จากนั้นล้างเพื่อขจัดอนุภาคที่ปราศจากโลหะ หลังจากนั้นวัตถุดิบจะถูกเผาด้วยเหตุนี้กำมะถันและองค์ประกอบแปลกปลอมอื่น ๆ จะถูกลบออกจากมัน

ขั้นตอนที่สองของการผลิต

ก๊าซธรรมชาติถูกส่งไปยังเตาเผาที่บรรจุและพร้อมสำหรับการใช้งานผ่านหัวเผาพิเศษ โค้กทำให้วัตถุดิบร้อนขึ้น ในกรณีนี้ คาร์บอนจะถูกปล่อยออกมา ซึ่งรวมกับออกซิเจนและเกิดเป็นออกไซด์ ออกไซด์นี้มีส่วนร่วมในการกู้คืนเหล็กจากแร่ในเวลาต่อมา โปรดทราบว่าด้วยการเพิ่มปริมาณก๊าซในเตาหลอม อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะลดลง และเมื่อถึงอัตราส่วนที่กำหนด จะหยุดโดยสิ้นเชิง

คาร์บอนส่วนเกินจะแทรกซึมเข้าไปในส่วนที่หลอมเหลวและรวมกับเหล็ก ในที่สุดก็กลายเป็นเหล็กหล่อ องค์ประกอบทั้งหมดที่ยังไม่ละลายอยู่บนพื้นผิวและจะถูกลบออกในที่สุด ของเสียนี้เรียกว่าตะกรัน นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการผลิตวัสดุอื่นๆ ประเภทของเหล็กหล่อที่ได้รับในลักษณะนี้เรียกว่าโรงหล่อและเหล็กหมู

ความแตกต่าง

การจำแนกประเภทที่ทันสมัยของเหล็กหล่อทำให้สามารถแบ่งโลหะผสมเหล่านี้ออกเป็นประเภทต่อไปนี้:

• ขาว
• ครึ่ง.
• สีเทากับเกล็ดกราไฟท์
• กราไฟท์ที่มีความแข็งแรงสูง
• ดัด.

มาดูแยกกัน

เหล็กหล่อขาว

เหล็กหล่อนี้เป็นเหล็กที่คาร์บอนเกือบทั้งหมดถูกพันธะทางเคมี ในทางวิศวกรรมเครื่องกล โลหะผสมนี้ไม่ได้ใช้บ่อยนัก เพราะมันแข็งแต่เปราะมาก นอกจากนี้ยังไม่สามารถตัดเฉือนด้วยเครื่องมือตัดต่างๆ ได้ ดังนั้นจึงใช้สำหรับการหล่อชิ้นส่วนที่ไม่ต้องการการประมวลผลใดๆ แม้ว่าเหล็กหล่อชนิดนี้จะช่วยให้การเจียรด้วยล้อขัดได้ เหล็กหล่อสีขาวสามารถเป็นได้ทั้งแบบธรรมดาและแบบอัลลอยด์ ในเวลาเดียวกัน การเชื่อมทำให้เกิดปัญหา เนื่องจากมีการเกิดรอยแตกต่างๆ ในระหว่างการทำความเย็นหรือให้ความร้อน และยังเกิดจากความแตกต่างของโครงสร้างที่เกิดขึ้นที่จุดเชื่อม

เหล็กหล่อที่ทนต่อการสึกหรอสีขาวได้มาจากการตกผลึกเบื้องต้นของโลหะผสมเหลวในระหว่างการหล่อเย็นอย่างรวดเร็ว มักใช้สำหรับการเสียดสีแบบแห้ง (เช่น ผ้าเบรก) หรือสำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่มีความทนทานต่อการสึกหรอและความร้อนเพิ่มขึ้น (ม้วนลูกกลิ้ง)

อย่างไรก็ตาม เหล็กหล่อสีขาวได้ชื่อมาจากความจริงที่ว่าลักษณะของการแตกหักนั้นเป็นผลึกแสงและพื้นผิวที่เปล่งปลั่ง โครงสร้างของเหล็กหล่อนี้เป็นการผสมผสานระหว่างลีเดบิวไรท์ เพอร์ไลต์ และซีเมนต์รอง ถ้าเหล็กหล่อนี้เป็นโลหะผสม ไข่มุกก็จะกลายเป็นทรอยไทต์ ออสเทนไนต์ หรือมาร์เทนไซต์

เหล็กหล่อครึ่งตัว

การจำแนกประเภทเหล็กหล่อจะไม่สมบูรณ์โดยไม่ต้องพูดถึงโลหะผสมชนิดนี้

เหล็กหล่อนี้มีลักษณะเฉพาะด้วยการรวมกันของยูเทคติกคาร์ไบด์และกราไฟต์ในโครงสร้าง โดยทั่วไป โครงสร้างที่เต็มเปี่ยมมีรูปแบบดังนี้: กราไฟท์ เพิร์ลไลท์ ลีเดบิวไรท์ หากเหล็กหล่อต้องผ่านกรรมวิธีทางความร้อนหรือผสม จะทำให้เกิดออสเทนไนต์ มาร์เทนไซต์ หรือแอซิคูลาร์ ทรอยไทต์

เหล็กหล่อชนิดนี้ค่อนข้างเปราะ จึงใช้งานค่อนข้างจำกัด ตัวอัลลอยได้ชื่อมาจากการแตกหักของโลหะผสมระหว่างส่วนที่มืดและสว่างของโครงสร้างผลึก

วัสดุวิศวกรรมทั่วไป

เหล็กหล่อสีเทา GOST 1412-85 ประกอบด้วยคาร์บอนประมาณ 3.5% จากซิลิกอน 1.9 ถึง 2.5% แมงกานีสมากถึง 0.8% ฟอสฟอรัสสูงถึง 0.3% และกำมะถันน้อยกว่า 0, 12%

กราไฟท์ที่เป็นเหล็กหล่อมีลักษณะเป็นแผ่น ไม่ต้องการการดัดแปลงพิเศษ

แผ่นกราไฟท์มีเอฟเฟกต์อ่อนตัวลงอย่างมาก ดังนั้น เหล็กหล่อสีเทาจึงมีลักษณะเด่นด้วยแรงกระแทกที่ต่ำมาก และไม่มีการยืดตัวเกือบสมบูรณ์ (น้อยกว่า 0.5%)

เหล็กหล่อเทากลึงอย่างดี โครงสร้างโลหะผสมสามารถเป็นดังนี้:

• เฟอร์ไรต์-กราไฟต์
• เฟอร์ไรต์-มุก-กราไฟต์
• เพอร์ไลต์-กราไฟต์

เหล็กหล่อสีเทาทำงานได้ดีในการอัดมากกว่าแรงดึง เขายังเชื่อมได้ค่อนข้างดี แต่ต้องมีการอุ่นก่อน และควรใช้แท่งเหล็กหล่อพิเศษที่มีซิลิกอนและคาร์บอนในปริมาณสูงเป็นวัสดุตัวเติม หากไม่อุ่น การเชื่อมจะยากเพราะเหล็กหล่อจะฟอกบริเวณรอยเชื่อม

เหล็กหล่อสีเทาใช้ในการผลิตชิ้นส่วนที่ทำงานโดยไม่มีแรงกระแทก (รอก ฝาครอบ เตียง)

การกำหนดเหล็กหล่อนี้เป็นไปตามหลักการดังต่อไปนี้: SCH 25-52 ตัวอักษรสองตัวระบุว่านี่คือเหล็กหล่อสีเทา ตัวเลข 25 เป็นตัวบ่งชี้ความต้านทานแรงดึง (เป็น MPa หรือ kgf / mm 2) ตัวเลข 52 คือค่าความต้านทานแรงดึงในขณะนั้น ของการดัด

เหล็กดัด

เหล็กหล่อเป็นก้อนกลมโดยพื้นฐานแล้วแตกต่างจาก "พี่น้อง" อื่น ๆ เนื่องจากมีกราไฟท์เป็นก้อนกลม ได้มาจากการแนะนำตัวดัดแปลงพิเศษ (Mg, Ce) ลงในโลหะผสมเหลว จำนวนการรวมกราไฟต์และขนาดเชิงเส้นอาจแตกต่างกัน

กราไฟท์ทรงกลมมีดีอย่างไร? ความจริงที่ว่ารูปแบบดังกล่าวทำให้ฐานโลหะอ่อนตัวลงเล็กน้อย ซึ่งในทางกลับกัน อาจเป็นไข่มุก เฟอริติก หรือเพิร์ลลิติก-เฟอริติก

เนื่องจากการใช้ความร้อนหรือโลหะผสม ฐานเหล็กหล่อสามารถเป็นแอกคิวลา-ทรอยไทต์ มาร์เทนซิติก ออสเทนนิติก

เกรดของเหล็กดัดนั้นแตกต่างกัน แต่โดยทั่วไปแล้ว มีการกำหนดดังนี้: VCh 40-5 เดาง่าย ๆ ว่า HF เป็นเหล็กหล่อความแข็งแรงสูง ตัวเลข 40 เป็นตัวบ่งชี้ความต้านแรงดึง (kgf/mm2) หมายเลข 5 สัมพันธ์กับการยืดตัว แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์

เหล็กดัด

โครงสร้างของเหล็กดัดมีกราไฟท์อยู่ในรูปที่มีลักษณะเป็นขุยหรือเป็นทรงกลม ในเวลาเดียวกัน กราไฟท์ที่เป็นขุยอาจมีความละเอียดและความแน่นต่างกัน ซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงต่อคุณสมบัติทางกลของเหล็กหล่อ

เหล็กดัดอุตสาหกรรมมักผลิตด้วยฐานเฟอร์ริติก ซึ่งให้ความเหนียวที่มากกว่า

เหล็กดัดเฟอริติกมีลักษณะแตกหักมีลักษณะเหมือนกำมะหยี่สีดำ ยิ่งปริมาณเพอร์ไลต์ในโครงสร้างสูง รอยร้าวก็จะยิ่งเบาขึ้น

โดยทั่วไป เหล็กดัดได้มาจากการหล่อเหล็กสีขาวเนื่องจากการอิดโรยเป็นเวลานานในเตาเผาที่ให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 800-950 องศาเซลเซียส

วันนี้ มีสองวิธีในการทำเหล็กดัด: ยุโรปและอเมริกา

วิธีการแบบอเมริกันคือการทำให้โลหะผสมอ่อนลงในทรายที่อุณหภูมิ 800-850 องศา ในกระบวนการนี้ กราไฟท์จะอยู่ระหว่างเม็ดเหล็กบริสุทธิ์ที่สุด ส่งผลให้เหล็กหล่อมีความหนืด

ในแบบยุโรป การหล่อจะอ่อนระโหยโรยแรงในแร่เหล็ก อุณหภูมิในขณะเดียวกันอยู่ที่ประมาณ 850-950 องศาเซลเซียส คาร์บอนจะผ่านเข้าสู่แร่เหล็ก เนื่องจากชั้นผิวของการหล่อถูกขจัดคาร์บอนออกและอ่อนตัวลง เหล็กหล่อจะอ่อนตัวได้ ในขณะที่แกนกลางยังเปราะอยู่

การทำเครื่องหมายของเหล็กอ่อน: KCh 40-6 โดยที่ KCh คือเหล็กอ่อนได้ 40 - ดัชนีความต้านทานแรงดึง;6 – การยืดตัว, %.

ตัวชี้วัดอื่นๆ

สำหรับการแบ่งเหล็กหล่อตามความแข็งแรง การแบ่งประเภทดังต่อไปนี้:

• ความแรงโดยทั่วไป: σv มากถึง 20 กก./มม.2.
• ความแรงที่เพิ่มขึ้น: σv=20 - 38 กก./มม.2.
• ความแข็งแรงสูง: σv=40 กก./มม.2 ขึ้นไป

ตามความเหนียว เหล็กหล่อแบ่งออกเป็น:

• ยืดหยุ่น - น้อยกว่า 1% การยืด
• พลาสติกต่ำ - จาก 1% เป็น 5%
• พลาสติก - จาก 5% เป็น 10%
• ปั้นพลาสติกเพิ่มขึ้น - มากกว่า 10%

โดยสรุป ฉันยังต้องการทราบด้วยว่าคุณสมบัติของเหล็กหล่อนั้นได้รับผลกระทบค่อนข้างมากจากรูปร่างและลักษณะของการเท