Odlewnicze stopy żelaza. Staliwa niestopowe i staliwa stopowe Żeliwa

Transkrypt

1 Odlewnicze stopy żelaza Staliwa niestopowe i staliwa stopowe Żeliwa

2 Staliwo jest stopem żelaza z węglem do około 1,5% i ewentualnie z dodatkami stopowymi przeznaczonym na odlewy

3 Staliwa niestopowe Ważnym materiałem konstrukcyjnym, stosowanym w postaci odlewów jest staliwo niestopowe. Otrzymuje się je w wyniku odlewania do form, w których krzepnie uzyskując wymagany kształt użytkowy.

4 Klasyfikacja staliw niestopowych Staliwa niestopowe (węglowe) dzieli się na dwie grupy podlegające odpowiednio odbiorowi: 1.Na podstawie własności mechanicznych (granica plastyczności R e, granica wytrzymałości na rozciąganie R m, udarność KU, przewężenie Z, wydłużenie A), 2.Na podstawie własności mechanicznych oraz składu chemicznego

5 Oznaczanie staliw niestopowych Znak staliwa składa się z dwóch liczb określających wyrażone w MPa wartości minimalnej granicy plastyczności R e oraz minimalnej wytrzymałości na rozciąganie R m (np ), po których w przypadku staliw niestopowych podlegających odbiorowi także na podstawie składu chemicznego, umieszczona jest litera W (np W).

6 Skład chemiczny i własności mechaniczne staliw niestopowych konstrukcyjnych Znak staliwa W Maksymalne stężenie głównych pierwiastków 2), % C Mn Si 1 Minimalne własności mechaniczne R e, MPa R m, MPa A, % Z, % KV, J W 1, ,25 0, W 1, W 1, ) P 0,035, Ni 0,4, Cr 0,35, Cu 0,4, Mo 0,15, V 0,05, Ni+Cr+Cu+Mo+V 1

7 Oznaczanie staliw niestopowych c.d. Staliwa niestopowe konstrukcyjne są także stosowane na odlewy do pracy pod ciśnieniem. Staliwa te poddaje się wyżarzaniu normalizującemu (+N) lub ulepszaniu cieplnemu (+QT). Oznaczenia tych staliw zaczynają się od litery G, po czym są identyczne z oznaczeniami odpowiadających im stali.

8 Skład chemiczny i własności mechaniczne staliw niestopowych do pracy pod ciśnieniem Znak staliwa Maksymalne stężenie głównych pierwiastków, % C Mn Si Minimalne własności mechaniczne Re, MPa Rm, MPa A, % KV, J GP240GR+N 0,25 1, GP240GH+QT 0,23 1, ,6 GP280GH+QT 0,25 1, G17Mn5+N 0,2 1, ) P 0,03, S 0,02, Ni 0,4, Cr 0,3, Cu 0,3, Mo 0,12, V 0,03, Ni+Cr+Cu+Mo+V 1

9 Struktura i własności staliw niestopowych Własności staliw zależą głównie od stężenia węgla. Staliwa szczególnie nisko- i średniowęglowe cechują się dobrą spawalnością. Składnikami strukturalnymi występującymi w staliwie niestopowym jest ferryt i perlit.

10 Wpływ stężenia węgla na własności mechaniczne staliw niestopowych 70 Rm 60 Z Re, Rm [MPa] Re A KU Z,A [%] KU [J] 0 0,1, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 STĘŻENIE WĘGLA [%]

11 Staliwa stopowe Staliwa stopowe to takie, do których celowo wprowadza się pierwiastki stopowe, aby nadać im wymagane własności. Przeważnie stosowane są staliwa, które zawierają kilka składników stopowych, w tym głównie Ni, Cr, Si, Mn, często dodatki Mo, V, W, Ti, Nb, Co i B. Gdy łącznie stężenie dodatków nie przekracza 2,5% staliwo uważane jest za niskostopowe, gdy jest zawarte w przedziale 2,5-5% - za średniostopowe, a przy stężeniu większym od 5% za wysokostopowe. Oznaczenie staliw stopowych rozpoczyna się od litery G lub L, a następujący po nich znak jest zgodny z systemem oznaczania odpowiedniej grupy stali.

12 Klasyfikacja staliw stopowych Staliwa stopowe dzieli się na: 1. Konstrukcyjne i maszynowe staliwa ogólnego przeznaczenia, staliwa do pracy pod ciśnieniem w pokojowej i podwyższonej temperaturze, staliwa do pracy pod ciśnieniem w niskiej temperaturze, staliwa odporne na ścieranie 2. Staliwa stopowe narzędziowe, 3. Staliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe, 4. Staliwa stopowe odporne na korozję.

13 Staliwa stopowe konstrukcyjne i maszynowe Staliwa te stosowane są na silnie obciążone odlewy i cechują się wysoką wytrzymałością na rozciąganie, przy dużej granicy plastyczności i dużej ciągliwości. Skład chemiczny staliwa powinien być dobrany tak, aby przy danej grubości ścianki odlewu umożliwiał zahartowanie odlewu na wskroś oraz uzyskanie jednolitych i dobrych własności mechanicznych na całym przekroju odlewu po ulepszaniu cieplnym. Dodatki stopowe w tych staliwach przede wszystkim podnoszą ich hartowność.

14 Staliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe Głównym składnikiem żaroodpornych staliw stopowych jest chrom, zapewniający dużążaroodporność. Staliwa żaroodporne i żarowytrzymałe dzielimy na: Wysokochromowe stosowane na odlewy mało obciążone, pracujące w atmosferze utleniającej do C Chromowo-niklowe - ferrytyczno-austenityczne stosowane na odlewy pracujące w atmosferze utleniającej do 1100 C, odporne na działanie kąpieli solnych, - austenityczne stosowane na odlewy pracujące pod znacznym obciążeniem w atmosferze utleniającej do C, staliwa wysokoniklowe są mało odporne na działanie gazów ze związkami siarki!

15 Orientacyjny skład chemiczny i maksymalna temperatura pracy staliw żaroodpornych wysokochromowych Znak staliwa Średnie stężenie pierwiastków *, % C Si Mn Cr Maksymalna temperatura pracy, C GX30CrSi7 0,28 0, GX40CrSi24 0,4 1,8 1 24, GX160CrSi18 1,

16 Orientacyjny skład chemiczny i własności żaroodpornych staliw chromowo-niklowych Znak staliwa Stężenie pierwiastków*, % C Si Cr Ni Nb Minimalne własności R e, MPa R m, MPa A, % Maksymalna temperatura pracy, C GX40CrNi27-4 0,4 1,8 26,5 4, GX40CrNiSi ,4 1, GX40NiCrSi ,4 1,8 19,5 37,

17 Staliwa stopowe odporne na korozję Podstawowym dodatkiem stopowym jest chrom 12%, a ponadto nikiel, molibden i miedź. Staliwa stopowe odporne na korozję dzielimy na: Martenzytyczne stosowane na odlewy odporne na korozję atmosferyczną, w parze wodnej i w wodzie morskiej, w przemyśle chemicznym, na wały turbin wodnych i parowych, śruby okrętowe, armatura wodna Austenityczne - stosowane na odlewy odporne na działanie kwasów organicznych, wody morskiej, pompy, zbiorniki, rurociągi, odlewy do pracy pod ciśnieniem, elementów kotłów parowych i innych urządzeń, zaworów o żarowytrzymałości do ok.550 C, niektóre staliwa można stosować do -196 C.

18 Staliwa stopowe odporne na korozję c.d. Austenityczno-ferrytyczne - stosowane na odlewy o większej wytrzymałości w porównaniu ze staliwami austenitycznymi (szczególnie odporne na korozję naprężeniową), odlewy do pracy pod ciśnieniem, elementy kotłów parowych i innych urządzeń, zaworów o dużej wytrzymałości, odlewy na zbiorniki ciśnieniowe do ok.250 C, niektóre staliwa można stosować do - 70 C.

19 Orientacyjny skład chemiczny i własności staliw stopowych martenzytycznych odpornych na korozję Znak staliwa Stężenie pierwiastków, % C Cr Ni Mo Inne Temperatura hartowa nia C odpus zczani a Minimalne własności Re, MPa Rm, MPa A, % KV, J GX12Cr12 0, 5 12,5 1 0, GX4CrNi13-4 0,06 12,8 4,3 0,7 N 0,

20 Orientacyjny skład chemiczny i własności austenitycznych i austenityczno-ferrytycznych staliw stopowych odpornych na korozję Znak staliwa Stężenie pierwiastków, % C Cr Ni Mo Cu Inne Tempe ratura przesy cania, C Minimalne własności Re, MPa Rm, MPa A, % Z, % Staliwa austenityczne GX2CrNiMo , ,5 2,25 - N 0, Staliwa w pełni austenityczne GX2CrNiMo ,03 20,5 28 2,25 2 N 0, Staliwa austenityczno-ferrytyczne GX6CrNiN , ,5 - - N: 0,

21 Odlewnicze stopy żelaza Żeliwa niestopowe, Żeliwa stopowe

22 Żeliwa niestopowe Żeliwo należy do materiałów odlewniczych najpowszechniej stosowanych w budowie maszyn. Decydują o tym niski koszt produktów, niska temperatura topnienia, dobre własności wytrzymałościowe oraz dobra skrawalność. Żeliwo zawiera ok. 2-4% węgla.

23 Zależnie od postaci węgla wyróżnia siężeliwa: białe (jasny przełom), w których węgiel występuje w postaci cementytu; mają one ograniczone zastosowanie, szare - z grafitem (szary przełom), w których węgiel występuje głównie jako grafit i częściowo związanej jako cementyt w perlicie; mają one szerokie zastosowanie. Ze względu na kształt wydzieleń grafitu wyróżnia się żeliwo z grafitem płatkowym, sferoidalne i ciągliwe, połowiczne (pstre) węgiel w postaci cementytu i grafitu.

24 Klasyfikacja żeliw ze względu na postać występującego węgla

25 Typowe struktury żeliw [C] cementyt [Fe 3 C] perlit I perlit [P] IIa II P+C grafit [G] P+C+G P+G ferryt [F] grafit sferoidalny węgiel żarzenia IIb III IV V P+F+ G grafit F+G perlit P+G ferryt F+C żarz I- białe, IIa- połowiczne, II- szare perlityczne, IIb- szare ferrytyczno-perlityczne, III- szare ferrytyczne, IV- sferoidalne, V- ciągliwe.

26 Wzorce kształtu grafitu wg PN-EN ISO 945:1999

27 Obraz przestrzenny grafitu: a) płatkowego, b) węgla żarzenia, c) sferoidalnego a b c

28 Osnowa metaliczna Ferrytyczna Ferrytyczno -perlityczna Perlityczna Kształt wydzieleń grafitu Płatkowy Węgiel żarzenia Sferoidalny

29 Oznaczanie żeliw Żeliw zgodnie z PN-EN 1560:2001, są oznaczane na podstawie: 1. symboli znak składa się liter EN-GJ, litery określającej postać grafitu lub cementytu i jeśli to konieczne następnej litery identyfikującej mikro lub makrostrukturę. Następne części znaku (oddzielone od siebie kreskami) klasyfikujążeliwo wg własności lub składu chemicznego, 2. lub numerów oznaczenie to zaczyna się od liter EN- J, następnie jest litera określająca strukturę (zwłaszcza postać grafitu) i czterocyfrowy numer, np. EN-JS1131 Wg norm krajowych oznaczenia żeliw zaczynają się od litery Z.

30 Podział i znakowanie żeliw szarych żeliwa szare zwykłe i żeliwa modyfikowane EN-GJL-100(100 R m [N/mm 2 ]) EN-GJL-350 (żeliwo modyfikowane) żeliwa sferoidalne EN-GJS (350 - R m [N/mm 2 ], 22 A [%]) EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS-900-2

31 Wpływ składu chemicznego na strukturę Wykres Maurera wskazujący rodzaj struktury, jaka powinna powstać w odlewie żeliwnym o grubości 50 mm w zależności od zawartości węgla i krzemu

32 Klasyfikacja żeliwa szarego Szare zwykłe Modyfikowane za pomocą 0,1-0,5% Fe- Si,Ca-Si,Al Sferoidalne, modyfikowane za pomocą Mg lub Ce

33 Warunki wytwarzania i struktura żeliw ciągliwych

34 Warunki wytwarzania i struktura żeliw ciągliwych* temperatura Fe 3 C 3Fe+C I stopień graf. II stopień graf. czas

35 Przebieg wyżarzania odlewów z żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego czarnego: a-żeliwo ferrytyczne, b-żeliwo perlityczne

36 Wpływ grafitu na własności żeliw Grafit powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych żeliwa i zmianę niektórych innych własności, a szczególnie: 1. Działa jako karb wewnętrzny, stanowiąc nieciągłości w metalu, zmniejsza skurcz odlewniczy, 2. Polepsza skrawalność, 3. Zwiększa własności ślizgowe, 4. Sprzyja tłumieniu drgań, 5. Powoduje zmniejszenie wytrzymałości zmęczeniowej.

37 Wpływ domieszek na proces grafityzacji Grafityzację 1. Ułatwiają krzem i fosfor, 2. Utrudniają mangan i siarka.

38 Wpływ szybkości chłodzenia na strukturę i własności żeliw Wraz ze zwiększeniem grubości ścianek odlewu zwiększa się ilość i grubość płatków wydzielonego grafitu, co powoduje zmniejszenie własności wytrzymałościowych. Zapobiega się temu zjawisku poprzez zmniejszenie stężenia węgla i krzemu oraz innych pierwiastków grafityzujących w żeliwie

39 Wpływ chłodzenia na strukturę Wykres Greinera-Kingenstein'a wskazujący rodzaj struktury, jaka powinna powstać w odlewie żeliwnym w zależności od grubości ścianki odlewu oraz sumarycznej zawartości węgla i krzemu

40 Grupa żeliw Porównanie własności żeliw niestopowych Główne składniki Struktura Rm, MPa Re, MPa A, % HB Rc, MPa Rg. MPa Cechy eksploatacyjne Białe 2,75% C 1% Si Ledeburyt 3,25% C 0,25% Si Niskowęglowe przemieniony Wysokowęglowe Znaczna kruchość, twardość, i odporność na ścieranie, zła obrabialność, używane do produkcji żeliwa ciągliwego. Szare zwykłe Ferrytyczne Perlityczne 3,25% C 2% Si Grafit płatkowy w osnowie ferrytycznej Grafit płatkowy w osnowie perlitycznej ,5-1 0, Niewielka wytrzymałość i plastyczność, dobra lejność i obrabialność, duża zdolność do tłumienia drgań, niski koszt wytwarzania, powszechne zastosowanie Szare modyfiko wane Perlityczne 2,75% C 2,25% Si Drobne płatki grafitu w osnowie perlitycznej , Mała wrażliwość struktury na grubośćścianki odlewu, gorsza lejność i obabialnośc oraz wyższy koszt wytwarzania niż żeliwa szarego zwykłego Sferoidal ne Ferrytyczne Perlityczne 3,5% C 2% Si Grafit kulisty w osnowie ferrytycznej Grafit kulisty w osnowie perlitycznej Dobre własności mechaniczne i plastyczne,,dobra lejność, 900- liczne zastosowania 1000 Ciągliwe Białe Czarne 2,5% C 0,8% Si Powierzchnio wo odwęglona Węgile żarzenia w osnowie ferrytu Dobra wytrzymałość plastyczność i odporność na obciążenia dynamiczne, liczne zastosowania

41 Żeliwa stopowe Do żeliw stopowych są wprowadzane dodatki stopowe, występujące oprócz domieszek. Pierwiastki te są dodawane w celu polepszenia własności użytkowych żeliwa, a w szczególności: 1. Zwiększenia własności mechanicznych, 2. Zwiększenia odporności na ścieranie, 3. Polepszenia odporności na działanie korozji elektrochemicznej, 4. Polepszenia odporności na działanie korozji gazowej w podwyższonej temperaturze, 5. Polepszenia własności fizycznych np. magnetycznych lub elektrycznych.

42 Oznaczanie żeliw stopowych Zgodnie z PN-88/H znak żeliwa stopowego szarego lub połowicznego rozpoczyna się literami - Zl, białego Zb, sferoidalnego Zs, po czym podane są symbole pierwiastków stopowych i liczby określające średnie stężenie pierwiastka w żeliwie.

43 Żeliwa stopowe o podwyższonej odporności na ścieranie Głównymi pierwiastkami stopowymi znajdującymi się w stopach o podwyższonej odporności na ścieranie są: 1. Dla żeliw niskostopowych: Ni, Cr, Cu, Mo, V, Ti, W (łącznie < 3%), 2. Dla żeliw średniostopowych: Ni, Cr, Al, Si (Łącznie 3-20%), 3. Dla żeliw wysokostopowych Ni, Cr, Al, Si, Mn ( łącznie >20%)

44 Żeliwa stopowe o podwyższonej odporności na ścieranie Żeliwa niskostopowe stosowane są na elementy maszyn o dobrej odporności na ścieranie, na działanie podwyższonej temperatury, a także spalin i wód naturalnych, np. elementy silników, pomp, sprężarek, koła zębate. Żeliwa średnio i wysokostopowe stosuje się na elementy pracujące w cięższych warunkach, silnie obciążone elementy maszyn, w przemyśle energetycznym, transporcie pneumatycznym, części pomp szlamowych, łopatki turbinowe, odlewy odporne na ścieranie w warunkach obciążeń udarowych.

45 Żeliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe żaroodporne: 1. Chromowe (0,6-3%) odlewy pracujące w temperaturze do ok C, np. elementy konstrukcyjne pieców, palenisk, aparatury chemicznej, niektóre elementy silników, 2. Krzemowe (4,5-6%) odlewy pracujące w temp. do ok. 700 C, np. retorty, ruszty, 3. Aluminiowe (3-8%) odlewy pracujące w atmosferze utleniającej w temperaturze do ok C, np. elementy kotłów, tygle do topienia stopów metali lekkich, elementy aparatury chemicznej,

46 Żeliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe c.d. 4. Wysokochromowe - (25-34%) odlewy pracujące w atmosferze utleniającej w temperaturze do ok C, żeliwa odporne na ścieranie oraz działanie niektórych czynników korozyjnych, 5. Wysokoniklowe (18-22%) odlewy odporne na utlenianie i obciążenia mechaniczne w temp. do ok. 800 C, np. elementy aparatury chemicznej, pomp, elementy pieców oraz żeliwo odporne na działanie niektórych czynników korozyjnych. Żarowytrzymałość ulega znacznemu zwiększeniu prze dodatek Mo.

47 Żeliwa stopowe odporne na korozję Zwiększenie odporności na korozję w szczególności powodują Si, Cr i Ni, Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe odporne na korozję: 1. Krzemowe (14-16%) odlewy o wysokiej odporności na korozję w stężonych i rozcieńczonych kwasach oraz roztworach soli, mało obciążone mechanicznie np. elementy pomp i armatury chemicznej, 2. Niklowo miedziowe (13,5-17,5 % Ni, 5,5-7,5%Cu) odlewy odporne na działanie kwasu siarkowego, kwasów organicznych, zasad ( z wyjątkiem amoniaku), roztworów soli i gazów utleniających w temp. do ok. 700 C, w przemyśle chemicznym, maszynowym, naftowym i okrętowym,

48 Żeliwa stopowe odporne na korozję c.d. 3. Wysokoniklowe sferoidalne (18-32%) odlewy odporne na działanie zasad, rozcieńczonych kwasów, roztworów soli i gazów utleniających w temp. ok. 800 C, np. pompy, zawory, obudowy turbo-zespołów, kolektory spalin, 4. Wysokoniklowe szare (18-22%) - odlewy odporne na działanie większości kwasów, zasad i soli oraz na utlenianie w temp. do ok. 800 C, w przemyśle chemicznym, papierniczym, maszynowym, hutniczym i spożywczym,

49 Żeliwa stopowe odporne na korozję c.d. 5. Wysokochromowe (25-34%) odlewy elementów odpornych na działanie roztworów kwasów, zasad i soli oraz czynników utleniających w temp. do ok C, w przemyśle chemicznym i spożywczym.

50 Żeliwa stopowe do pracy w niskiej temperaturze (w zakresie do C) Do pracy w niskiej temp. stosowane sążeliwa o strukturze austenitycznej, np. EN-GJSA- XNiMn23-4, (EN-GJSA -żeliwa sferoidalne) Orientacyjny skład chemiczny i własności mechaniczne żeliw austenitycznych do pracy w niskiej temperaturze: Skład chemiczny: C (2,2-3), Si (1,7-3), Mn (0,7-4,4), Ni (18-24), Cr ( 4), Cu ( 3,4), V ( 0,5) Własności mechaniczne: R m ( MPa), A (6-45%), HB ( ), KCU (20-40 J/cm 2 )