Podstawy nauki o materiałach. Struktura i własności żeliw

Transkrypt

1

2 Cele badań Celami tej pracy były: analiza struktury wybranych żeliw wymienionych w normach: PN-EN :2000 oraz PN-EN 12513:2003 opisanie ich własności oraz możliwych zastosowań przygotowanie materiałów dydaktycznych związanych z powyższym tematem

3 Zakres badań Zakres badań obejmował obserwacje metalograficzne wybranych grup żeliw. Analiza ta ma formę zebrania i podsumowania materiałów związanych z tematem pracy

4 Metodyka badań przygotowanie zgładów metalograficznych obserwacja struktur na mikroskopie świetlnym przygotowanie pomocy dydaktycznych w tym prezentacji oraz filmów

5 Wstęp Przypuszcza się, że odkrycie żelaza nastąpiło nawet ok r. p.n.e., a pierwszymi posiadaczami wiedzy na temat technik odlewania żelaza byli Chińczycy. W początkach trzeciego stulecia przed naszą erą żelazo w Chinach było już materiałem powszechnie wybieranym do produkcji większości narzędzi i ostrzy broni. Dowodem na ich wysoko rozwiniętą wiedzę w tej dziedzinie jest zachowany do naszych czasów olbrzymi pomnik lwa, odlany w 974 r. n.e.

6 Użycie żelaza rozprzestrzenia się na całą Europę między 500 a 400 r. p.n.e. wraz z cywilizacją Celtów. Choć ekspansję rozwoju żeliwa mają już za sobą, a inżynierowie materiałowi skupiają się obecnie na takich materiałach, jak polimery czy różne grupy kompozytów, to żeliwo jest wciąż materiałem odlewniczym najczęściej stosowanym w budowie maszyn, co zawdzięcza swym charakterystycznym własnościom wynikającym z dużej zawartości węgla.

7 Wykres czasowy początek n.e Chińczycy stworzyli odlew lwa, ok. 5 m dł. i 6 m wys. przypuszczalne odkrycie żelaza 953 w Chinach żelazo jest powszechnie używane do produkcji narzędzi i ostrzy broni użycie żelaza rozprzestrzenia się na całą Europę wraz z cywilizacją Celtów

8 Charakterystyka żeliwa Żeliwo to stop żelaza z węglem, zawierający jako składnik podstawowy, co najmniej 2 4 % węgla (C) oraz inne pierwiastki stopowe jak Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Cu, Mo i inne. Struktura żeliwa jest głównym czynnikiem określającym jego własności. Jej rodzaj jest wynikiem oddziaływania wielu czynników m.in. składu chemicznego, warunków topnienia, odlewania, krzepnięcia i stygnięcia odlewów oraz warunków obróbki cieplnej.

9 Podział żeliwa Żeliwa dzieli się na: niestopowe (zwane wcześniej węglowymi) stopowe

10 W zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel, rozróżnia się żeliwa: szare (węgiel występuje w postaci grafitu), białe (węgiel jest związany w cementycie), połowiczne (występuje cementyt i grafit).

11 Oznaczenie żeliwa na podstawie symboli EN-GJS Wydłużenie, tu: 15% Przedrostek ENoznacza, że materiał jest znormalizowany G oznacza materiał odlewany J oznacza żeliwo Postać grafitu; S grafit kulkowy Wytrzymałość na rozciąganie; tu: 400 MPa

12 Klasyfikacja grafitu Ilość i postać grafitu ma poważny wpływ na własności żeliwa, składnik ten jest widoczny na nietrawionym szlifie w postaci pasemek o różnej wielkości i kształcie oraz w postaci punktów. Grafit jest bardzo miękki, a jego wytrzymałość jest bliska zeru. Jego obecność jest podstawową cechą struktury żeliwa szarego, i sferoidalnego oraz niestopowego i niskostopowego.

13 Kształt wydzieleń grafitu w żeliwie: grafit płatkowy grafit zwinięty grafit zwichrzony grafit rozgałęziony grafit gwiazdkowy grafit lub węgiel żarzenia postrzępiony grafit lub węgiel żarzenia zwarty grafit lub węgiel żarzenia kulkowy

14 Kształt wydzieleń grafitu: A grafit iglasty B grafit płatkowy C grafit zwinięty D grafit rozwichrzony E grafit rozgałęziony F grafit gwiazdkowy G grafit lub węgiel żarzenia postrzępiony H grafit lub węgiel żarzenia zwarty I grafit lub węgiel żarzenia kulkowy

15 Wpływ zawartości grafitu w żeliwie na jego własności Grafit powoduje: zmniejszenie skurczu odlewniczego żeliwa polepszenie obrabialności polepszenie skrawalności tłumienie drgań zwiększenie własności ślizgowych zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej

16 Zawartość grafitu wywołuje także powstawanie własności, które pogarszają jakość żeliwa: działa jako karb wewnętrzny, powodując nieciągłości osnowy metalicznej, skutkiem czego zmniejsza wytrzymałość na rozciąganie powoduje zanik plastyczności żeliwa jego wydłużenie przy próbie rozciągania jest w efekcie równe zeru

17 Składniki ułatwiające i utrudniające grafityzację wg N.G. Girszowicza Składniki ułatwiające grafityzację Składnik obojętny Składniki utrudniające grafityzację Al Cu C P Ti Co Ni Zr Ni W V Mn Te Mo Mg S Ce Cr B

18 Czynniki wpływające na strukturę żeliwa Struktura żeliwa w odlewie nie zależy tylko od składu chemicznego czy też wzajemnych oddziaływań podstawowych parametrów krystalizacji, ale również od: czynników technologicznych czynników decydujących o fizykochemicznym stanie ciekłego żeliwa

19 Do czynników technologicznych zaliczamy: temperaturę zalewania żeliwa rodzaj, temperaturę, materiał i jakość formy grubość ścianek odlewu konstrukcję odlewu

20 Do czynników fizykochemicznych, oprócz składu chemicznego należą takie czynniki metalurgiczne jak: temperatura przegrzania czas wytrzymywania ciekłego żeliwa w podwyższonej temperaturze materiały wsadowe obróbka ciekłego metalu warunki wytopu

21 Własności odlewnicze żeliwa Do własności odlewniczych zalicza się: lejność skurcz odlewniczy skłonność żeliwa do tworzenia jam skurczowych w odlewach skłonność żeliwa do zabieleń skłonność do powstawania naprężeń odlewniczych w odlewach wrażliwość żeliwa na grubość ścianki odlewu

22 Proces wytapiania żeliwa Roztapianie wsadu w piecu łukowym

23 Proces wytapiania żeliwa Ściąganie żużla

24 Proces wytapiania żeliwa Przenoszenie kadzi i przygotowanie stanowiska do wpustu wsadu

25 Proces wytapiania żeliwa Przenoszenie kadzi za pomocą suwnicy

26 Proces wytapiania żeliwa Spust żeliwa do kadzi

27 Proces wytapiania żeliwa Podjazd kadzi do formy

28 Proces wytapiania żeliwa Zalewanie formy Żużel który jest na powierzchni jest przytrzymywany żeby nie wpłynął do formy

29 Żeliwa szare Żeliwem szarym nazywa się żeliwo, w którym część węgla występuje pod postacią wolną, czyli grafitu, przy czym ilość węgla nie przekracza ilości węgla w perlicie.

30 Węgiel całkowity (C c ) zawarty w żeliwie szarym występuje w dwóch postaciach: jako węgiel niezwiązany (grafit C gr ) jako węgiel związany (C zw ) Zatem C c = C gr + C zw. Zawartość w żeliwie szarym C zw może wynosić do ok. 0,8%

31 Żeliwo szare może mieć osnowę: perlityczną perlityczno ferrytyczną ferrytyczno perlityczną ferrytyczną

32 Struktura osnowy Przy zawartości C zw 0,8% żeliwo szare ma perlityczną strukturę osnowy, jeśli C zw 0, to C c C gr i struktura osnowy będzie ferrytyczna. Przy zawartości węgla związanego większej od zera, a mniejszej od jego zawartości w perlicie, osnowa metaliczna będzie ferrytyczno-perlityczna.

33 Klasyfikacja żeliwa szarego niestopowego Żeliwa szare niestopowe (węglowe) dzielimy na: żeliwo szare zwykłe, żeliwo modyfikowane żeliwo sferoidalne

34 Żeliwo szare zwykłe Żeliwo szare ferrytyczne charakteryzuje się niską wytrzymałością, słabą odpornością na zużycie ścierne oraz dobrą skrawalnością. Twardość i wytrzymałość żeliwa szarego zwiększa się w miarę zwiększania udziału perlitu w strukturze. Żeliwo szare wg PN-EN 1561:2000 klasyfikuje się według: wytrzymałości na rozciąganie twardości

35 Własności żeliwa szarego Zalety: dobra obrabialność doba lejność dobra skrawalność duża zdolność tłumienia drgań duża stałość wymiarów bardzo dobre własności odlewnicze niski koszt wytwarzania

36 Własności żeliwa szarego Wady: stosunkowo niewielka wytrzymałość niewielka plastyczność mała odporność na ścieranie mała odporność na korozję w ośrodkach chemicznych

37 Żeliwo modyfikowane Modyfikowanie jest podstawowym zabiegiem w procesie wytwarzania wysokojakościowego żeliwa szarego. W skład tego zabiegu wchodzą: dobór i przygotowanie żeliwa wyjściowego oraz modyfikatorów wprowadzenie modyfikatorów do ciekłego żeliwa wyjściowego odlewanie żeliwa modyfikowanego kontrola procesu modyfikacji

38 Żeliwo modyfikowane, podobnie jak żeliwo szare zwykłe, wykazuje bardzo niskie własności plastyczne. Najkorzystniejsze własności ma żeliwo modyfikowane o osnowie perlitycznej. Jego wytrzymałość na rozciąganie R m może wynosić Mpa, to też najczęściej modyfikację stosuje się do żeliw szarych o podwyższonej wytrzymałości.

39 Żeliwo sferoidalne Żeliwo sferoidalne w odróżnieniu od pozostałych grup żeliw szarych posiada bardzo dobre własności wytrzymałościowe i plastyczne oraz przejawia znacznie mniejszą skłonność do koncentracji naprężeń, dzięki kulistej postaci grafitu.

40 Własności żeliwa sferoidalnego Zalety: bardzo dobre własności wytrzymałościowe bardzo dobre własności plastyczne mniejsza skłonność do koncentracji naprężeń dobra lejność (lepsza niż żeliwa szarego) wysoka udarność dość duża wytrzymałość zmęczeniowa dobra szczelność duża odporność na wysokie ciśnienia

41 Własności żeliwa sferoidalnego Wady: duża skłonność do powstawania naprężeń własnych i jam skurczowych w odlewach mała przewodność cieplna duży koszt produkcji

42 Żeliwo białe Żeliwo białe jest żeliwem niezawierającym grafitu, w którym cały węgiel występuje w postaci związanej. Przełom tego żeliwa jest biały stąd ta nazwa. Strukturę żeliwa białego stanowi ledeburyt przemieniony i ewentualnie steadyt.

43 Żeliwo połowiczne Żeliwo połowiczne posiada strukturę stanowiącą mieszaninę typową zarówno dla żeliw białych jak i szarych. Jego strukturę stanowi perlit, ledeburyt przemieniony, cementyt, grafit oraz steadyt. Żeliwa połowiczne podobnie jak żeliwa białe nie znajdują bezpośredniego zastosowania.

44 Żeliwo ciągliwe Żeliwo ciągliwe otrzymuje się z żeliwa białego w wyniku wyżarzania grafityzującego. Żeliwo to charakteryzuje się dobrymi własnościami zarówno wytrzymałościowymi jak i plastycznymi. W zależności od parametrów procesu technologicznego żeliwo ciągliwe dzielimy na: żeliwo ciągliwe białe (odwęglone) żeliwo ciągliwe czarne (nieodwęglone)

45 Własności żeliwa ciągliwego białego Zalety: dobra szczelność i odporność na wysokie ciśnienie bardzo dobra skrawalność odporność na działanie czynników korozyjnych nadaje się do spawania

46 Własności żeliwa ciągliwego białego Wady: niskie własności mechaniczne mała odporność na ścieranie ograniczona możliwość wykonywania odlewów o większej grubości ścianki

47 Własności żeliwa ciągliwego czarnego Zalety: dobre własności wytrzymałościowe wysokie własności plastyczne duża odporność na obciążenia dynamiczne dobra skrawalność jednorodna struktura w całym przekroju odlewu szczelność i odporność na wysokie ciśnienia odporność na działanie czynników korozyjnych jednakowa twardość w całym przekroju niezależnie od grubości ścianki odlewu

48 Klasyfikacja żeliw stopowych Żeliwem stopowym określa się żeliwo zawierające specjalnie wprowadzone składniki stopowe (również podwyższone zawartości takich składników jak Si, Mn, P czy S), powodujące zmianę jego właściwości lub składników strukturalnych (osnowy metalicznej)

49 Pierwiastki dodawane do żeliw mają na celu polepszenie własności użytkowych w tym: zwiększenie odporności na ścieranie zwiększenie własności mechanicznych polepszenie własności fizycznych np. magnetycznych lub elektrycznych polepszenie odporności na działanie korozji elektrochemicznej polepszenie odporności na działanie korozji gazowej o podwyższonej temperaturze

50 Wyróżniamy żeliwa stopowe: aluminiowe chromowe krzemowe manganowe miedziowe molibdenowe niklowe tytanowe wanadowe oraz ich połączenia

51 Żeliwa o podwyższonej odporności na ścieranie Odporność żeliwa na ścieranie jest zwiększana przez dodatki stopowe, które powodują: wzrost twardości osnowy, zmianę ilości, postaci, wymiarów i rozmieszczenia wydzieleń grafitu całkowite wyeliminowanie tego składnika strukturalnego (tylko w niektórych gatunkach)

52 Żeliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe Niestopowe żeliwo szare odznacza się niewielką żaroodpornością, którą można polepszyć poprzez wprowadzenie dodatków stopowych. Korzystny wpływ mają Si oraz Cr. Nikiel polepsza żarowytrzymałość oraz plastyczność żeliwa, natomiast słabiej od Si i Cr podnosi odporność na utlenianie. Żarowytrzymałość ulega powiększeniu przez dodatek Mo.

53 Żeliwa stopowe odporne na korozję Zarówno żeliwo stopowe jak i niestopowe, wykazuje większą odporność na korozję niż stale bądź staliwa niestopowe. Polepszanie odporności na korozję powodują pierwiastki stopowe, z których najintensywniej działają Si, Cr oraz Ni, w mniejszym stopniu natomiast Mn i Cu.

54 Struktura żeliw Struktura żeliwa jest głównym czynnikiem określającym jego własności. Jej rodzaj jest wynikiem oddziaływania wielu czynników m.in. składu chemicznego, warunków topnienia, odlewania, krzepnięcia i stygnięcia odlewów jak również warunków obróbki cieplnej.

55 Schemat struktur żeliwa: a) białego b) połowicznego cementyt grafit a perlit b

56 Schemat struktur żeliwa: a) szarego perlitycznego b) szarego ferrytyczno - perlitycznego grafit ferryt a b perlit

57 Schemat struktur żeliwa: a) szarego ferrytycznego b) ciągliwego grafit ferryt węgiel żarzenia a b

58 Schemat struktury żeliwa sferoidalnego grafit sferoidalny perlit

59 Wykres strukturalny dla żeliw wg N.G. Girszowicza ężenie węgla (%) st 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Si + log d P perlit C cementyt G grafit C e równoważnik węgla I żeliwo białe IIa żeliwo połowiczne II żeliwo szare perlityczne IIb żeliwo szare ferrytyczno-perlityczne III żeliwo szare ferrytyczne

60 Struktury badanych materiałów Wybrane struktury żeliw niestopowych wg PN-EN 1561:2000 grafit płatkowy grafit płatkowy ferryt perlit żeliwo szare EN-GJL 300, powiększenie 100x, obserwacja w świetle spolaryzowanym żeliwo szare EN-GJL 300, powiększenie 100x, obserwacja w świetle spolaryzowanym, trawiona nitalem

61 Struktury badanych materiałów Wybrane struktury żeliw niestopowych wg PN-EN 1561:2000 żeliwo szare EN-GJL 300, powiększenie 200x, obserwacja w polu jasnym żeliwo szare EN-GJL 300, powiększenie 200x, obserwacja w świetle spolaryzowanym

62 Struktury badanych materiałów Wybrane struktury żeliw niestopowych wg PN-EN 1563:2000 żeliwo sferoidalne EN- GJS-500-7, powiększenie 100x, obserwacja w polu jasnym żeliwo sferoidalne EN- GJS-500-7, powiększenie 100x, obserwacja w świetle spolaryzowanym

63 Struktury badanych materiałów Wybrane struktury żeliw niestopowych wg PN-EN 1563:2000 grafit kulkowy grafit kulkowy ferryt perlit ferryt perlit żeliwo sferoidalne EN- GJS-500-7, powiększenie 200x, obserwacja w polu jasnym żeliwo sferoidalne EN- GJS-500-7, powiększenie 200x, obserwacja w świetle spolaryzowanym

64 Struktury badanych materiałów Wybrane struktury żeliw niestopowych wg PN-EN 1563:2000 żeliwo sferoidalne EN- GJS , powiększenie 200x, obserwacja w polu jasnym żeliwo sferoidalne EN- GJS , powiększenie 200x, obserwacja w świetle spolaryzowanym

65 Struktury badanych materiałów Wybrane struktury żeliw niestopowych wg PN-EN 1563:2000 żeliwo sferoidalne EN- GJS , powiększenie 500x, obserwacja w polu jasnym żeliwo sferoidalne EN- GJS , powiększenie 500x, obserwacja w świetle spolaryzowanym

66 Wnioski 1. Struktura żeliwa jest głównym czynnikiem określającym jego własności. Rodzaj struktury jest wynikiem oddziaływania wielu czynników takich jak: skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej, warunki topnienia, odlewania, krzepnięcia oraz stygnięcia odlewów.

67 Wnioski 2. Mimo wielu istniejących na rynku materiałów konstrukcyjnych, żeliwo jest materiałem najczęściej stosowanym w budowie maszyn. Rozpowszechnienie w przemyśle zawdzięcza głównie dzięki dobrym własnościom wytrzymałościowym, dobrej skrawalności, niskiej temperaturze topnienia oraz względnie niskim kosztom produkcji.