śeliwa 3 Fe + C grafit

Transkrypt

1 śeliwa śeliwa są stopami Ŝelaza z węglem o zawartości węgla powyŝej 2% (zazwyczaj w zakresie 2 6,7%). Dzięki temu ich temperatury topnienia są niŝsze niŝ stali i wynoszą ok C. Są szeroko rozpowszechnione jako stopy odlewnicze, tanie, o dobrej lejności umoŝliwiającej otrzymywanie odlewów o złoŝonym kształcie i wadze od kilku gramów do kilkuset ton. Węgiel w Ŝeliwie moŝe występować w postaci związanej z Ŝelazem jako cementyt lub jako grafit o róŝnych kształtach. O tym, w jakiej postaci będzie występował węgiel w Ŝeliwie, decydują: skład chemiczny i szybkość chłodzenia podczas krystalizacji Ŝeliwa. Cementyt jest fazą metastabilną i przy małej szybkości chłodzenia, duŝej zawartości węgla i obecności takich pierwiastków, jak krzem i nikiel, moŝe ulegać grafityzacji, czyli rozkładać się na grafit i Ŝelazo (właściwie jest to ferryt, gdyŝ atomy węgla rozpuszczają się w sieci Fe α ): Fe 3 C Si mała szybkość chłodzenia 3 Fe + C grafit Zwykle zawartość krzemu w Ŝeliwie wynosi 0,8 4,5%. Zmieniając zawartość krzemu moŝna regulować stosunek ilości węgla związanego, czyli cementytu, do ilości grafitu i zmieniać właściwości Ŝeliwa. śeliwa zawierające węgiel w postaci cementytu noszą nazwę Ŝeliw białych (jasny przełom), a zawierające grafit Ŝeliw szarych (ciemny przełom). Poza węglem i krzemem w Ŝeliwach występują takie pierwiastki jak: mangan, fosfor i siarka. Mangan przeciwdziała wydzielaniu się węgla w postaci grafitu i odbieleniu Ŝeliwa. Jego zawartość w Ŝeliwie nie przekracza 1,0% i do tej zawartości jego wpływ jest korzystny, gdyŝ zwiększa wytrzymałość oraz twardość Ŝeliwa. Przy większej zawartości manganu wzrasta skurcz i Ŝeliwo staje się kruche. Fosfor zwiększa rzadkopłynność Ŝeliwa, dlatego dopuszcza się jego zawartość do 0,4%. Dla odlewów Ŝeliwnych, które winny być wytrzymałe dopuszcza się 0,15% P, poniewaŝ fosfor zwiększa kruchość Ŝeliwa. Siarka znacznie obniŝa lejne i mechaniczne właściwości Ŝeliwa, utrudnia wydzielanie się grafitu, zwiększa skurcz, kruchość i obniŝa rzadkopłynność. Nie dopuszcza się do przekroczenia zawartości 0,1%. Odlewy z Ŝeliwa stopowego mogą zawierać nikiel, chrom, molibden, wolfram, wanad, miedź i inne pierwiastki. Jeśli sumaryczna ilość pierwiastków stopowych jest poniŝej 2,5%, to odlewy z takiego Ŝeliwa 1

2 naleŝą do niskostopowych; przy sumarycznej zawartości składników stopowych 2,5 10% do średniostopowych i powyŝej 10% do wysokostopowych. Jak wyŝej wspomniano, na grawitację Ŝeliwa ma istotny wpływ szybkość chłodzenia odlewu. Im mniejsza szybkość chłodzenia odlewu, tym łatwiej przebiega proces grafityzacji. Dlatego teŝ przy jednym i tym samym składzie Ŝeliwa w odlewach moŝna otrzymać róŝne struktury w ich przekrojach. Na powierzchni odlewu, gdzie szybkość chłodzenia jest duŝa, moŝliwe jest powstanie struktury Ŝeliwa białego, a wewnątrz odlewu moŝe powstać Ŝeliwo z róŝnym stopniem grafityzacji. Aby uchronić się przed zabielaniem Ŝeliwa, na odlewy o małych przekrojach stosuje się Ŝeliwo o podwyŝszonej zawartości pierwiastków grafityzujących w porównaniu z Ŝeliwem na odlewy o duŝych przekrojach. śeliwa moŝemy podzielić na: białe, szare gdzie wyróŝniamy między innymi: sferoidalne i ciągliwe. śeliwa białe Jak juŝ wspomniano, w Ŝeliwie białym węgiel występuje w postaci cementytu. Podział tych Ŝeliw i ich struktury wynikają bezpośrednio z wykresu równowagi Fe Fe 3 C. Są one następujące: 1) Ŝeliwo białe podeutektyczne zawierające od 2% do 4,3% węgla, o strukturze składającej się z perlitu, ledeburytu przemienionego i cementytu wtórnego; 2) Ŝeliwo białe eutektyczne zawierające 4,3% węgla, o strukturze ledeburytu przemienionego; 3) Ŝeliwo białe nadeutektyczne zawierające od 4,3% do 6,67% C (w praktyce do 5% C), o strukturze składającej się z ledeburytu przemienionego i cementytu pierwotnego. Na rysunku 1 przedstawiono mikrostruktury Ŝeliwa podeutektycznego, eutektycznego i nadeutektycznego. Cementyt powoduje, iŝ Ŝeliwa białe są twarde i odporne na ścieranie, lecz kruche i trudno obrabialne. W zasadzie Ŝeliwo to nie jest uŝywane na odlewy, ale stanowi jedynie pośredni materiał do produkcji Ŝeliwa ciągliwego. Jeśli potrzebna jest duŝa twardość i odporność na zuŝycie pewnych powierzchni odlewu Ŝeliwa szarego (jak np. ma to miejsce przy produkcji kół wagonów kolejowych), to wówczas wytwarza się w tych miejscach strukturę Ŝeliwa białego przez szybkie chłodzenie. Forma piaskowa w tych miejscach ma 2

3 metalową płytę, która zapewnia szybkie odprowadzenie ciepła i tzw. zabielenie warstwy wierzchniej odlewu. a) b) c) Rys. 1. śeliwo białe (wytrawione Nital): a podeutektyczne (ciemne dendryty perlitu na tle ledeburytu przemienionego i cementytu drugorzędowego), pow. 250 ; b eutektyczne, ledeburyt przemieniony, pow. 250 ; c nadeutektyczne (jasne, iglaste kryształy cementytu pierwotnego na tle ledeburytu przemienionego, pow. 250 śeliwa szare W Ŝeliwie szarym węgiel moŝe występować w postaci grafitu lub grafitu i węgla związanego w cementycie. Grafit przybiera dzięki obecności krzemu kształt płatków (na przekroju mających kształt Ŝyłek). Mikrostrukturę takiego Ŝeliwa bez trawienia pokazano na rys. 2. 3

4 Rys. 2. śeliwo szare nie wytrawione (modyfikowane). Grafit w formie płatków; pow. 100 Płatki grafitu otoczone są przez osnowę metaliczną, która odpowiednio do stopnia grafityzacji cementytu moŝe być: perlityczna, ferrytyczna lub ferrytyczno-perlityczna. W zaleŝności od struktury metalicznej osnowy odróŝnia się trzy gatunki Ŝeliwa szarego: 1. śeliwo szare perlityczne ma strukturę składającą się z płatków grafitu otoczonych perlitem. PoniewaŜ w perlicie występuje cementyt, zatem część węgla zawartego w Ŝeliwie jest w postaci związanej w ilości 0,8% C (tyle węgla zawiera perlit), a reszta w stanie wolnym, tj. w postaci grafitu (rys. 3 a). 2. śeliwo szare ferrytyczne ma strukturę składającą się z płatków grafitu otoczonych ziarnami ferrytu. Cały węgiel zawarty w Ŝeliwie jest w stanie wolnym, tj. w postaci grafitu (rys. 3 b). 3. śeliwo szare ferrytyczno-perlityczne ma strukturę składającą się z płatków grafitu w osnowie ferrytu i perlitu. Ilość węgla związanego w postaci cementytu w tym Ŝeliwie jest mniejsza niŝ 0,8%. a) b) Rys. 3. Mikrostruktury Ŝeliwa szarego: a Ŝeliwo szare modyfikowane, grafit + perlit + eutektyka fosforowa (trawione Nital), pow. 500 ; b Ŝeliwo ferrytyczne, grafit w formie duŝych płatków (nietrawione), pow

5 Wielkość i rozmieszczenie płatków grafitu ma istotny wpływ na właściwości Ŝeliwa, znaczniejszy niŝ osnowa metaliczna. Większa ilość grafitu zmniejsza wytrzymałość na rozciąganie i ciągliwość, ale zachowuje wysoką wytrzymałość i plastyczność Ŝeliwa przy ściskaniu. ObniŜenie wytrzymałości na rozciąganie wynika z tego, iŝ wydzielenia grafitu, z uwagi na jego zerową wytrzymałość zmniejszają rzeczywisty przekrój materiału przenoszącego obciąŝenie i poza tym działają jako karby koncentrujące napręŝenia. WaŜną, korzystną cechą Ŝeliwa szarego, wynikającą z obecności grafitu, jest zdolność do tłumienia drgań (z tego względu uŝywane jest ono na korpusy obrabiarek). Poza tym, grafit poprawia obrabialność i zmniejsza współczynnik tarcia Ŝeliwa. Lepsze właściwości otrzymuje się przez modyfikowanie Ŝeliwa krzemkiem wapnia ( zarodkowanie cieczy), co prowadzi do rozdrobnienia grafitu; jest to tzw. Ŝeliwo modyfikowane. śeliwa ciągliwe W Ŝeliwie szarym grafit powstaje w wyniku grafityzacji cementytu podczas krystalizacji. W Ŝeliwach ciągliwych grafityzację przeprowadza się drogą obróbki cieplnej w stanie stałym, a mianowicie poprzez wyŝarzanie grafityzujące Ŝeliwa białego (w którym cały węgiel jest związany w postaci cementytu) w temperaturze ok. 850 C. WyŜarzanie przeprowadza się w atmosferze obojętnej (Ŝeliwo ciągliwe czarne) lub w atmosferze odwęglającej (Ŝeliwo ciągliwe białe). Nazwy Ŝeliw pochodzą od wyglądu przełomu. Powstający grafit występuje w postaci skupisk niteczek zwanych węglem Ŝarzenia. Jest to korzystniejsza forma grafitu niŝ grafitu płatkowego i dlatego Ŝeliwa ciągliwe mają dobrą plastyczność. W Ŝeliwie ciągliwym czarnym osnową otaczającą węgiel Ŝarzenia są ziarna ferrytu i Ŝeliwo to nazywane jest Ŝeliwem ciągliwym ferrytycznym (rys. 4 a). W Ŝeliwie ciągliwym białym w warstwie powierzchniowej (3 5 mm) występuje ferryt, natomiast w rdzeniu, w przedmiotach o większej grubości ścianek (powyŝej 10 mm) występuje węgiel Ŝarzenia na tle osnowy perlityczno-ferrytycznej (rys. 4 b). 5

6 a) b) Rys. 4. Mikrostruktury Ŝeliw ciągliwych (wytrawiane, Nital): a Ŝeliwo ciągliwe czarne, węgiel Ŝarzenia + ferryt, w niektórych ziarnach ferrytu (szare) siarczki manganu, pow. 100 ; b Ŝeliwo ciągliwe białe, węgiel Ŝarzenia + ferryt + perlit, pow. 100 śeliwa sferoidalne Dodanie do Ŝeliwa w trakcie krystalizacji magnezu lub ceru (lub obu pierwiastków razem) zmienia mechanizm tworzenia się grafitu, w wyniku czego otrzymuje się grafit w postaci kulek. Ta postać grafitu wywołuje najmniejsze osłabienie właściwości mechanicznych, dlatego Ŝeliwo sferoidalne wykazuje dobre właściwości wytrzymałościowe i niezłą plastyczność. Po odlaniu osnowa Ŝeliwa jest w zasadzie perlityczna, ale moŝna ją zmienić przez obróbkę cieplną. Tak więc osnowa moŝe być perlityczna, ferrytyczno-perlityczna lub ferrytyczna. Na rysunku 5 przedstawiono strukturę Ŝeliwa sferoidalnego ferrytyczno-perlitycznego. Rys. 5. Mikrostruktura Ŝeliwa sferoidalnego ferrytyczno-perlitycznego (trawione Nital); ciemne kuleczki grafitu na tle jasnego ferrytu i szarego perlitu, pow. 250 śeliwo sferoidalne ferrytyczne (rys. 6) ma duŝą ciągliwość, a wytrzymałość na rozciąganie równą ok. 400 MPa, natomiast Ŝeliwo sferoidalne perlityczne ma małą ciągliwość, ale duŝą wytrzymałość na rozciąganie dochodzącą do 1000 MPa. 6

7 Rys. 6. śeliwo szare sferoidalne; trawienie Nital; grafit + ferryt; pow. 250 Do Ŝeliw stosuje się obróbkę cieplną w celu: usunięcia napręŝeń własnych (pozostałych po chłodzeniu odlewu) poprzez wyŝarzanie w temperaturach ok. 630 C lub sezonowanie, czyli przetrzymywanie w temperaturze otoczenia przez ok. rok; zahartowania i odpuszczania; hartowanie przeprowadza się z temperatury ok. 870 C; otrzymania Ŝeliwa szarego ferrytycznego, poprzez wyŝarzanie Ŝeliwa szarego o zwiększonej nieco zawartości krzemu (ok. 2 2,5%) w temperaturze C. Dobierając odpowiednią obróbkę cieplną moŝna w Ŝeliwie szarym otrzymać róŝne metaliczne osnowy: perlit, ferryt, martenzyt i bainit. Nagrzewanie Ŝeliwa do temperatury C prowadzi do powstania dwóch faz: grafitu (który juŝ był) i austenitu (powstałego z przemiany strukturalnej osnowy w temperaturze powyŝej A 1 ). Chłodzenie umiarkowanie wolne z tej temperatury daje osnowę perlityczną, szybkie martenzytyczną. Przechładzając do temperatury powyŝej M s (temperatura początku przemiany w martenzyt) moŝna otrzymać bainit. Z Ŝeliw stopowych naleŝy wymienić Ŝeliwa austenityczne, w których dodatki niklu, chromu, miedzi lub manganu na tyle rozszerzają zakres istnienia stabilnego austenitu, iŝ istnieje on w temperaturze pokojowej i poniŝej. śeliwa te są odporne na korozję i podwyŝszoną temperaturę oraz mają specjalne właściwości, np. małą rozszerzalność i są niemagnetyczne. Oznaczenie Ŝeliwa według Polskich Norm składa się z litery Z, po której występują małe litery: l dla Ŝeliwa szarego, s dla Ŝeliwa sferoidalnego, c dla Ŝeliwa ciągliwego. Następne duŝe litery oznaczają: B Ŝeliwo ciągliwe białe, C Ŝeliwo ciągliwe czarne, P Ŝeliwo ciągliwe 7

8 perlityczne. Po symbolu literowym są liczby: trzycyfrowe w Ŝeliwach szarych oznaczające minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa, pięciocyfrowe w innych Ŝeliwach, z których początkowe trzy oznaczają minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa, a dwie ostatnie wydłuŝenie w %. Przykłady oznaczeń: Zl 300 Ŝeliwo szare o R m = 300 MPa; Zs Ŝeliwo sferoidalne o R m = 500 MPa i A = 7%; ZcB Ŝeliwo ciągliwe białe o R m = 400 MPa i A = 5%. Zastosowanie Ŝeliw w okrętownictwie śeliwa szare zwykłe, z uwagi na niskie własności mechaniczne i duŝą kruchość (brak wydłuŝenia), mają ograniczone zastosowanie. Mogą być uŝyte na części, od których wymagana jest duŝa zdolność tłumienia drgań mechanicznych, a naraŝone są na małe obciąŝenia. Wymagania stawiane Ŝeliwom szarym dla konstrukcji okrętowych podają przepisy tow. Klasyfikacyjnych, np. Polskiego Rejestru Statków. śeliwa modyfikowane, dzięki rozdrobnionym wydzieleniom grafitu, wykazują lepsze własności mechaniczne i większe wydłuŝenie, wobec czego mogą być uŝyte na średnio obciąŝone części maszyn i urządzeń. śeliwa takie znajdują zastosowanie do wykonywania odlewów korpusów silników, skrzynek przekładniowych, tulei silników spalinowych, korpusów łoŝysk linii wałów, wirników pomp, aparatury sanitarnej. śeliwa sferoidalne, dzięki grafitowi w formie kulkowej, wykazują znacznie lepsze własności mechaniczne oraz większe wydłuŝenie, a ponadto mogą podlegać obróbce cieplnej, która znacznie zwiększa własności mechaniczne. Takie Ŝeliwa znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle maszynowym, transporcie i budownictwie. Dynamiczny rozwój produkcji Ŝeliw sferoidalnych spowodował, iŝ ich zastosowanie w ostatnich latach przewyŝsza wszystkie inne stopy odlewnicze. śeliwo sferoidalne jest stosowane do wykonywania zaworów i łączników rurociągów do paliw i gazów płynnych, na części pomp i spręŝarek, na tłoki silników spalinowych, wały wykorbione silników wysokopręŝnych i benzynowych, korpusy łoŝysk linii wałów na okrętach. Znaczne zastosowanie znajdują teŝ Ŝeliwa sferoidalne stopowe, których moŝna uŝyć do produkcji części maszyn pracujących w podwyŝszonych temperaturach (rozrząd silników odrzutowych) i obniŝonych (pompy do ciekłych gazów). 8

9 9