ŻELIWA NIESTOPOWE
Żeliwo stop żelaza z węglem, zawierający 2,5-4,5% C i inne pierwiastki (Si, Mn, P, S), przeznaczony do wykonywania części maszyn, urządzeń przemysłowych i wyrobów codziennego użytku na drodze odlewania. Żeliwo niestopowe i stopowe
Zależnie od postaci węgla wyróżnia się żeliwa: 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.
Wykres równowagi Fe-C; linia ciągła- wykres Fe-Fe 3 C; linia przerywana - wykres Fe-C(grafit). Opis fazowy wykresu równowagi Fe-C(grafit)
Zmiana energii swobodnej ciekłego stopu (F L ) i mieszaniny austenit + cementyt (F A+C ) oraz mieszaniny austenit + grafit (F A+G ) ze zmianą temperatury Wydzielanie się cementytu z roztworu ciekłego lub austenitu przebiega łatwiej niż wydzielanie grafitu, lecz termodynamicznie bardziej stabilna jest mieszanina austenitu z grafitem niż austenitu z cementytem. W temperaturze przemiany eutektycznej (w 1147 C) krystalizacja przebiega z wytworzeniem cementytu L γ + Fe 3 C, zaś powolne chłodzenie zakresie temperatur 1153-1147 C powoduje tworzenie się z ciekłego roztworu mieszaniny austenitu i grafitu.
Wykres Maurera wskazujący rodzaj struktury, jaka powinna powstać w odlewie żeliwnym o grubości 50 mm w zależności od zawartości węgla i krzemu
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
Żeliwa białe Struktura zgodna z wykresem równowagi fazowej Fe- Fe 3 C: podeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne Właściwości: twarde i kruche, nie nadają się do obróbki skrawaniem, dobre właściwości odlewnicze wysoka odporność na ścieranie. wysoka twardość (300-500 HB) i odporność na ścieranie, są wynikiem obecności w żeliwie białym znacznej ilości cementytu (700 800 HB). wytrzymałość na rozciąganie niewielka, natomiast znaczna (4 6 razy większa) wytrzymałość na ściskanie.
Stosowane są na okładziny sprzęgieł, walce drogowe, kule do młynów, ślimaki mieszalników, przenośniki materiałów sypkich.
STRUKTURA ŻELIW Z GRAFITEM OSNOWA METALICZNA GRAFIT FAZY ZAWIERAJĄCE FOSFOR I SIARKĘ EUTEKTYKA FOSFOROWA (Feα+Fe 3 P+Fe 3 C) (Feα+Fe 3 P+C) SIARCZKI MnS, FeS
Rodzaje osnowy metalicznej i wydzieleń grafitu w żeliwach z grafitem
Podział i znakowanie żeliw szarych żeliwa szare zwykłe i żeliwa modyfikowane (PN-EN 1561:2000): EN-GJL-100(100 R m [N/mm 2 ]) EN-GJL-350 (żeliwo modyfikowane) żeliwa sferoidalne (PN-EN 1563:2000) EN-GJS-350-22 (350 - R m [N/mm 2 ], 22 A [%]) EN-GJS-450-10 EN-GJS-500-7 EN-GJS-600-3 EN-GJS-700-2 EN-GJS-800-2 EN-GJS-900-2
Żeliwa szare krzepnące bez regulowania procesu krystalizacji zawiera duże płatki grafitu, których obecność wpływa ujemnie na właściwości mechaniczne (Rm<250 N/mm 2 ). Posiada dużą zdolność zdolność tłumienia drgań. Żeliwa modyfikowane: W celu podwyższenia właściwości wytrzymałościowych, przeprowadza się proces modyfikacji żeliw. Modyfikacja polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu modyfikatora (np. Fe-Si, Ca-Si) w ilości do 0,5% masy stopu. Modyfikator powoduje zwiększenie ilości zarodków krystalizacji, a tym samym rozdrobnienie płatków grafitu, oraz uzyskanie struktury perlitu w osnowie metalicznej. Te dwa czynniki są powodem wyższej wytrzymałościżeliw modyfikowanych (Rm>300 N/mm 2 ).
Żeliwa sferoidalne (z grafitem sferoidalnym): proces technologiczny wytwarzania żeliwa polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu niewielkiej ilości substancji (Cr, Mg, Mg-Ni), które zmieniają napięcie powierzchniowe i powodują utworzenie wydzieleń grafitu w postaci sferoidalnej oraz wprowadzeniu modyfikatora (np. Fe-Si, Ca-Si) w celu zwiększenia ilości zarodków krystalizacji, co sprzyja powstaniu struktury drobnoziarnistej. Struktura osnowy: ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna, perlityczna. Właściwości: wytrzymałość i plastyczność wyższe niż w żeliwach szarych, ale mniejsza zdolność tłumienia drgań.
Żeliwa połowiczne żeliwa o zróżnicowanej strukturze: typowej dla żeliw szarych i żeliw białych. Węgiel przyjmuje postać grafitu, lub występuje w postaci związanej jako cementyt. Zastosowanie: żeliwa te nie są wykorzystywane w sposób bezpośredni, niekiedy stosuje się odlewy zabielone, które po odlaniu początkowo poddawane są chłodzeniu z dużą szybkością, w wyniku czego warstwa wierzchnia ma strukturężeliwa białego. Zmniejszenie szybkości chłodzenia, po zakrzepnięciu warstwy żeliwa białego, powoduje uzyskanie w rdzeniu struktury żeliwa szarego. Pomiędzy warstwążeliwa białego, a rdzeniem żeliwa szarego tworzy się warstewka żeliwa połowicznego (pstrego). Występują one w takich elementach jak: walce hutnicze, bębny młynków, które wymagają dużej odporności.
Żeliwa ciągliwe otrzymywane z żeliwa białego w wyniku wyżarzania grafityzującego. W czasie obróbki cieplnej cementyt ulega rozkładowi z wydzieleniem węgla żarzenia w postaci kłaczkowatych skupień. Kłaczkowa postać grafitu wpływa korzystnie na właściwości mechaniczne żeliwa.
Proces wyżarzania żeliwa przebiega w zakresie temperatur ~1000-700ºC w czasie ~ 100 godzin. W zależności od parametrów procesu otrzymane żeliwo ciągliwe dzieli się na: Żeliwo ciągliwe białe (atmosfera odwęglająca), Żeliwo ciągliwe czarne (atmosfera obojętna), Żeliwo ciągliwe perlityczne. Żeliwo ciągliwe białe Żeliwo ciągliwe czarne: lub O osnowie ferytycznej O osnowie perlitycznej
Podział i znakowanie żeliw ciągliwych żeliwa ciągliwe czarne ENGJMB-300-26 (osnowa ferrytyczna) ENGJMB-350-22 (osnowa ferrytyczna) ENGJMB-450-6 (osnowa perlityczna) ENGJMB-550-4 (osnowa perlityczna) ENGJMB-700-2 (osnowa perlityczna) ENGJMB-800-1 (osnowa perlityczna) żeliwa ciągliwe białe ENGJMW-350-4 ENGJMW-360-12 ENGJMW-400-5 ENGJMW-550-4
Przebieg wyżarzania odlewów z żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego czarnego: a-żeliwo ferrytyczne, b-żeliwo perlityczne
Właściwości mechaniczne żeliw z grafitem w zależności od osnowy metalicznej i postaci grafitu Z grafitem płatkowym [N/mm 2 ]
Korzystne właściwości technologiczne żeliw, wynikające z obecności grafitu: mała wrażliwość na karby zewnętrzne, np. zmianę przekroju elementu konstrukcji, z uwagi na liczne karby wewnętrzne mały skurcz odlewniczy dobra skrawalność dobre właściwości ślizgowe duża zdolność tłumienia drgań dobra wytrzymałość zmęczeniowa
Typowe zastosowania żeliw Rodzaj żeliwa Białe Szare z grafitem płatkowym Sferoidalne Ciągliwe Osnowa ferrytyczna Osnowa perlityczna Zastosowanie Odlewy odporne na ścieranie, nie wymagające większej obróbki skrawaniem: wykładziny i ślimaki mieszalników i przenośników materiałów sypkich,kule młynów kulowych, klocki hamulcowe Masowo produkowane odlewy nie przenoszące obciążeń (ruszty, płyty i drzwi pieców, grzejniki, wanny, zlewy), odlewy części maszyn, wlewnice, cylindry samochodowe, tłoki Części samochodowe (wałki rozrządu, korbowody, wały korbowe, części układu kierowniczego), koła zębate i wrzeciona obrabiarek, części armatury przemysłowej, walce hutnicze Odlewy nie wymagające większej wytrzymałości, a przy tym tanie: części maszyn rolniczych,maszyn do szycia, artykułów gospodarstwa domowego Odlewy silniej obciążone: wałki rozrządu, wały korbowe, krzywki, koła zębate, klucze maszynowe, podstawy dział
Żeliwa stopowe
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.
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%)
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.
Żeliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe Wyróżniamy następujące żeliwa stopowe żaroodporne: 1. Chromowe (0,6-3%) odlewy pracujące w temperaturze do ok. 550-650 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. 750-800 C, np. elementy kotłów, tygle do topienia stopów metali lekkich, elementy aparatury chemicznej,
Żeliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe c.d. 4. Wysokochromowe - (25-34%) odlewy pracujące w atmosferze utleniającej w temperaturze do ok. 1100 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.
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,
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,
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. 1100 C, w przemyśle chemicznym i spożywczym.
Żeliwa stopowe do pracy w niskiej temperaturze (w zakresie do - 200 C) Do pracy w niskiej temp. stosowane są żeliwa 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 (380-500 MPa), A (6-45%), HB (130-250), KCU (20-40 J/cm 2 )