Compoziţie |
Fier de carbon (3,5) |
---|
Exprimate în metale , este un aliaj de fier și de carbon al cărui conținut este mai mare de 2%. Carbonul, suprasaturat în fontă, poate precipita sub formă de grafit sau cementită Fe 3 C. Se diferențiază de alte aliaje de fier prin fluiditatea excelentă.
Există mai multe clasificări ale fontei, dar cea mai utilizată, bazată pe faciesul de fractură al unui martor, definește două categorii: fontele albe , cu rupere albă, din fier și cementită și fontele gri , cu rupere gri, alcătuite de fier și grafit.
Fontele sunt toate aliaje. Acestea se disting de alte aliaje prin fluiditatea lor excelentă (acest termen combină inerția termică și fluiditatea aliajului topit, este măsurat într-un mod standardizat printr-o eprubetă spirală cu secțiune triunghiulară).
Fonta are un punct de topire cuprins între 1135 și 1350 ° C , în mod esențial în funcție de procentul de carbon și siliciu pe care îl conține. Când este topit, conținutul său maxim de carbon depinde de temperatura sa. În momentul solidificării, cantitatea de carbon care precipită sub formă de grafit în matricea metalică depinde de celelalte elemente prezente (în principal siliciu) și de ratele de răcire.
Poate fi un precursor în fabricarea oțelului din minereu de fier . Este aliajul care iese din furnal și care va fi rafinat în oțel (prin decarburare ). Se numește apoi fontă brută , pentru a o deosebi de fierul de turnătorie , rezultat în general dintr-o topire a cupolei , de compoziție determinată, și destinat producției de piese turnate.
Topirea a fost descoperită în China , în timpul perioadei statelor combatante ( IV - lea lea î.Hr. ). În Europa, aceasta a fost în timpul XIX - lea secol de topire a avut un loc esențial în economie, generalizarea „proces indirect“ (producția de fier în furnal cu producția de fontă intermediar).
Fonta a fost produsă în furnalele cu cărbune . Abraham Darby , care inițial era un prăjitor de malț (pentru fabricarea berii ), a reușit să producă fontă folosind cocs („coac”, care a fost ulterior scris „cocs”, din engleză pentru a găti ). În 1709 , folosind cărbune cu conținut scăzut de sulf, a fabricat prima fontă de cocs la fabrica sa din Coalbrookdale . Dar produsul, considerat a fi de calitate mai scăzută decât fonta pe lemne, a durat cincizeci de ani pentru a se stabili și a deveni unul dintre produsele majore ale industrializării. Între 1777 și 1779, Abraham Darby III a construit la Coalbrookdale Podul de Fier , primul pod metalic mare din istorie, realizat în întregime din fontă. Cu toate acestea, producția de fontă pe lemne a persistat, parțial din cauza protecționismului practicat de țările producătoare (Franța, Germania), în parte din cauza calității atribuite acestui tip de fontă și a reticenței anumitor fierari.
Din punct de vedere chimic, fontele sunt aliaje fier-carbon care conțin o fază eutectică , numită ledeburit . În diagrama de fază metastabilă fier-carbon, este vorba, așadar, de aliaje fier-carbon având mai mult de 2,11% carbon (dar această diagramă nu mai este valabilă în prezența elementelor de aliere).
Diferitele fonte se disting prin procentul lor de carbon . În cazul unui aliaj pur de fier și carbon (caz teoretic, deoarece fonta conține întotdeauna siliciu și mangan în cantități semnificative), se notează următoarele praguri:
Oțeluri cristalizează în metastabil fier-carbon fer- cementita diagrama (opusă prezentată), deși este grafitul , care este stabilă termodinamic: cementită trebuie să se descompună în
Fe 3 C → 3Fe α + C (grafit)dar mobilitatea atomilor de carbon nu este suficientă pentru ca acest lucru să aibă loc.
Cazul este diferit pentru fontele care au un conținut mai mare de carbon și, prin urmare, pot cristaliza în diagrama stabilă fier-carbon: ferit grafit . Diferența dintre aceste 2 diagrame se află în primul rând în rata de răcire: atunci când rata de răcire este rapidă, carbonul dizolvat în fierul γ nu are timp să migreze pe distanțe mari și formează carburi de Fe 3 C., Cementită, pe site; întrucât, dacă rata de răcire este suficient de lentă, carbonul poate „colecta” și forma grafit .
Pe diagrama fier-carbon de echilibru, eutectica la un conținut de 4,25% carbon, și se topește la o temperatură de 1153 ° C .
Prin urmare, avem două tipuri de fonturi:
Distincția dintre fonta albă și gri (sau neagră) în secolul al XVIII- lea. Obținerea fontei gri sau albă depinde atât de compoziția lor, cât și de rata de răcire.
Adăugarea de elemente de aliere poate promova solidificarea fontei fie în conformitate cu diagrama stabilă (grafit), fie în conformitate cu diagrama metastabilă (cementită). Găsim în special ca elemente de aliere siliciu care va promova solidificarea fontei conform schemei stabile sau mangan care va favoriza formarea perlitului (fulgi de ferită și cementită). Cu toate acestea, o fontă nu este considerată a fi aliată dacă manganul este între 0,5 și 1,5%, siliciul este între 0,5 și 3%, fosforul între 0,05 și 2,5%.
Se spune că o fontă este aliată dacă, pe lângă elementele de mai sus, conține, în cantitate suficientă, cel puțin un element de adăugare precum: nichel, cupru (mai mult de 0,30%); crom (mai mult de 0,20%); titan, molibden, vanadiu, aluminiu (peste 0,10%). De asemenea, o fontă care conține mai mult de 3% siliciu sau mai mult de 1,5% mangan este considerată specială (acesta este în special cazul fontelor GS cu matrice feritică armată).
Fonta albă este o soluție de perlit și cementită (Fe 3 C). Prezența acestei cementite face din fonta albă aliaje dure și fragile. Acest tip de fontă se obține printr-o temperatură scăzută de turnare, răcire rapidă, un conținut ridicat de elemente de margele (de exemplu, mangan, cupru etc.) sau un conținut scăzut de elemente grafitizante (de exemplu, siliciu). Fonturile albe sunt realizate din perlit și ledeburit.
Având o fluiditate bună și un aspect alb strălucitor, fonta albă este utilizată în principal pentru piese de aspect, piese de uzură (cum ar fi vârfurile brăzdarului) și turnătorie de artă. Prezența carburii îl face foarte rezistent la uzură și abraziune, dar, de asemenea, îl face foarte dificil de prelucrat. Topirea cuptor de rafinare a convertorului (care , la sfârșitul XX - lea secol, reprezentând aproape toate din fier produse), deși punct de vedere tehnic „fier alb“ nu este niciodată așa numita. Această „ fontă topită ” are valoare numai în ceea ce privește compoziția sa chimică și temperatura. Clasificarea fontei, care implică răcirea și posibilele tratamente, nu este, prin urmare, în general relevantă la fabricarea oțelului.
În funcție de conținutul elementelor de aliere, este posibilă obținerea fontelor albe perlitice sau martensitice.
Principalele calități ale fonturilor albe sunt:
Principalele lor defecte sunt:
Familie de fontă în care carbonul se găsește sub formă de grafit . Structura grafitică a carbonului se obține prin răcirea foarte lentă a fontei sau prin adăugarea de componente grafitizante precum siliciu . Numele de fontă gri se datorează apariției pauzei, care este gri, spre deosebire de fonta albă, a cărei culoare a pauzei este albă. Există, de asemenea, fonturi al căror aspect este gri și alb, acestea sunt fonturile truitate (asemănătoare pielii).
Deși începutul răcirii are loc conform diagramei stabile (fier-grafit), când temperatura scade, factorii de grafitizare nu mai au niciun efect, răcirea are loc conform diagramei metastabile. În cele din urmă, microstructura poate conține ferită, perlit, cementită și grafit sub formă lamelară sau sferoidală. Proporția fiecăreia dintre aceste faze depinde de compoziția aliajului și de rata de răcire.
Este cel mai comun font gri. Grafitul este acolo sub formă de lamele. Această formă lamelară de grafit (efect de crestătură) face ca fontele GL să fie fragile. Pe de altă parte, grafitul îmbunătățește caracteristicile de frecare ale fontei și, prin urmare, promovează prelucrarea.
Principalele calități ale fonturilor GL sunt:
Principalele defecte:
Principalele utilizări:
Fontele GS au fost dezvoltate din 1948. Fonta în care se găsește grafit sub formă de noduli (sferoizi). Această microstructură particulară se obține prin adăugarea de magneziu la fontă cu puțin timp înainte de turnare (dacă fonta este menținută topită, pierde specificitățile fontelor GS după aproximativ zece minute): este tratamentul de sferoidizare. Magneziul se evaporă, dar provoacă cristalizarea rapidă a grafitului sub formă de noduli. Această micro-structură îi conferă caracteristici mecanice apropiate de oțel. De fapt, forma sferoidală a grafitului conferă fontei o bună ductilitate.
Obținerea unui font GSÎn timpul solidificării unei fonte de grafit sferoidal, sferoidele apar în lichid. Nodulii de carbon vor crește, epuizând lichidul din jurul lor în carbon. Pe măsură ce solidificarea progresează, aceste sferoide se înconjoară cu o teacă de austenită. Carbonul trebuie să difuzeze în interiorul acestei placări de austenită pentru a cristaliza apoi pe sferoizii de carbon, prin urmare difuzia carbonului în austenită devine principalul mecanism de control al creșterii nodulilor. Prin efectuarea unei analize termice (temperatura în funcție de timp), putem observa și acest fenomen. De fapt, în timpul răcirii, nu se observă niciun nivel eutectic din cauza lipsei de echilibru între faza lichidă și cea solidă (exprimată prin pierderea contactului dintre grafit și lichid). Odată ce solidificarea este completă, carbonul continuă să difuzeze în austenită. Într-adevăr, solubilitatea carbonului în austenită scade odată cu temperatura. Transformarea eutectoidă are loc într-un interval de temperatură. În acest moment, austenita transformându-se în ferită, observăm cu atât mai mulți atomi de carbon difuzându-se spre noduli. Acest lucru se explică prin faptul că solubilitatea carbonului este mai mică în interiorul feritei (structură cristalografică: centrată cubic) decât în interiorul austenitei (structura cubică centrată pe față). Acest proces de solidificare apoi de răcire are ca rezultat o microstructură de echilibru formată din noduli de carbon scăldați într-o matrice feritică. Desigur, acest lucru are loc numai dacă carbonul are timp să se difuzeze în austenită / ferită. Dacă solidificarea și răcirea sunt mai rapide decât rata de difuzie a carbonului, carbonul se obține sub formă de cementită (diagramă metastabilă) mai degrabă decât sub formă de grafit (diagramă stabilă) și se observă și transformarea austenitei. ferită.
Sferoizii sunt formați din semințe eterogene, particule străine care permit cristalizarea grafitului. Există diferite elemente care promovează formarea grafitului sub formă sferoidală: ceriu, litiu, bariu, stronțiu și multe alte elemente. Cu toate acestea, din punct de vedere industrial, magneziul este utilizat prin introducerea acestuia sub formă de feroaliaje (FeSiMg). Agenții sferoidizanți sunt cu toții lacomi după sulf și oxigen, acțiunile lor sunt posibile doar prin cantitatea reziduală în exces după reacția cu oxigenul și sulful. În plus, aceste elemente sunt trecătoare și volatile la temperatura băii lichide, prin urmare acțiunea lor poate fi resimțită doar pentru o perioadă scurtă de timp (câteva minute). Cu toate acestea, este recomandabil să nu puneți în baie topită aceste elemente în exces, deoarece unele dintre acestea (în special magneziu) favorizează solidificarea fontei conform diagramei metastabile și, prin urmare, pot duce la formarea de carburi și riscul de un conținut rezidual prea mare este și faptul de a obține grafit degenerat.
Există, de asemenea, elemente care împiedică formarea grafitului sub formă de sferoizi: bismut (pentru cantități mai mari de 20 ppm ), titan (pentru cantități mai mari de 400 ppm ), plumb (pentru cantități mai mari de 20 ppm ).
Pentru tratamentul de sferoidizare, există mai multe metode industriale posibile pentru inserarea feroaliajei de magneziu:
Structura fontei depinde de elementele de adaos și de viteza de răcire, acești parametri depind puternic de grosimea pieselor. Această structură influențează puternic caracteristicile mecanice.
Distingem:
Aceste microstructuri diferite pot fi obținute prin modificarea compoziției fontelor sferoidale din grafit (dar și prin modificarea răcirii). Găsim în special ca elemente de aliere:
Pentru a caracteriza microstructura unei fonte, există diferite proprietăți care pot fi măsurate, în special caracteristicile morfologice ale grafitului. De fapt, pentru a putea clasifica particulele de grafit și a decide dacă o particulă de grafit este nodulară sau nu, ne bazăm pe standardul NF-EN-945 (permite clasificarea graficului vizual) sau pe standardul NF A04-197, care face posibilă să clasifice fiecare dintre particule, utilizând software-ul de analiză a imaginii, prin calcularea caracteristicilor lor morfologice. Conform acestor două standarde, particulele de grafit pot fi clasificate în 6 clase: Forma I, Forma II, Forma III, Forma IV, Forma V, Forma VI. Particulele de grafit se numesc noduli dacă sunt de forma V sau VI.
Odată ce particulele sunt clasificate, putem calcula nodularitatea fontei noastre. Conform standardului EN-1563, pentru ca proprietățile mecanice ale unei fontă GS să respecte ceea ce este indicat în standard, este necesar să avem o nodularitate mai mare de 80%. Nodularitatea este egală cu procentul de suprafață al particulelor de grafit de forma V și VI.:
Desemnare | R m ( MPa ) | R p0.2 (MPa) | AT% | Structură matricială | Duritate ( HB ) |
---|---|---|---|---|---|
EN-GJS-700-2 (FGS 700-2) | 700 | 470 | 2 | Perlit | 240-300 |
EN-GJS-600-2 (FGS 600-2) | 600 | 400 | 2 | Perlit | 230-280 |
EN-GJS-500-7 (FGS 500-7) | 500 | 350 | 7 | Perlit-feritic | 210-260 |
EN-GJS-400-15 (FGS 400-15) | 400 | 250 | 15 | Ferită | <220 |
EN-GJS-350-22 (FGS 350-22) | 350 | 220 | 22 | Ferită | <200 |
EN-GJS-450-18 (FGS 450-18) | 450 | 350 | 18 | Ferită armată | 170-200 |
EN-GJS-500-14 (FGS 500-14) | 500 | 400 | 14 | Ferită armată | 185-215 |
EN-GJS-600-10 (FGS 600-10) | 600 | 470 | 10 | Ferită armată | 200-230 |
Avantajele fontei de grafit sferoidal în comparație cu oțelul sunt în special un raport mai mare de rezistență mecanică / greutate care face posibilă producerea de piese mai ușoare, o prelucrare mai bună , posibilitatea unei reciclări aproape totale (piesele turnate în fontă sunt produse reciclabile), costul energetic mai mic al topirii și faptul că fonta nu este toxică.
Principalele utilizăriFontă în care grafitul este sub forma dintre lamele și sfere (fără efect de crestătură al grafitului). Această microstructură specială se obține prin adăugarea de magneziu cu un conținut mai mic decât pentru fontele de grafit sferoidal (în general în jur de 0,020% față de 0,035% minim pentru FGS) într-o fontă cu un conținut foarte scăzut de sulf. De asemenea, este posibil să se obțină acest tip de fontă pornind de la o fontă de grafit sferoidal și prin blocarea transformării semințelor de grafit prin furnizarea de doze foarte mici de titan, ceea ce permite un interval mai mare pentru turnare. Cu toate acestea, această metodă nu mai este folosită astăzi, deoarece adăugarea de titan a dus la formarea carbonitridelor de titan cu o duritate foarte mare, ceea ce a penalizat puternic prelucrarea. Microstructura fontei vermiculare combină avantajele fontei lamelare (fluiditate, absorbție a vibrațiilor) fără dezavantaje (fragilitate) și avantajele fontei GS (rezistență mecanică). Principalul dezavantaj este dificultatea de a obține structura dorită și de a verifica dacă această structură a fost obținută.
Proprietățile mecanice sunt:Desemnare | R m (MPa) | R p0.2 (MPa) | LA% | Structură matricială | Duritate (HB) |
---|---|---|---|---|---|
EN-GJV-350-7 (FGV 350-7) | 350 | 220 | 7 | Ferită-perlit | <200 |
Standardul european EN 1560 indică:
Vechiul standard francez NF A 02-001 declara:
Exemple:
Fonta este utilizată pentru toate tipurile de piese mecanice. Majoritatea pieselor sunt obținute prin turnarea metalului lichid în matrițele de nisip silicioase (vezi turnarea ).
Fonturile pot fi implementate prin:
Turnarea continuă face posibilă obținerea unei fonte cu o structură fină, aplicațiile sunt industria hidraulică (distribuitor hidraulic ...), industria sticlei, partea mecanică simplă etc.
Turnătorii de fontă și oțel (2017, vol. 100F) au fost recunoscuți ca un factor de risc scăzut / moderat pentru cancerul pulmonar .
Termenul fontă este uneori folosit pentru a desemna alte aliaje, toate aceste utilizări fiind incorecte :