ŻELIWA NIESTOPOWE Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
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. 2
Wykres układu równowagi fazowej Fe-C układ żelazo-cementyt (linia ciągła), układ żelazo-grafit (linia przerywana) % masy C 3
Zmiana energii swobodnej ciekłego stopu (F L ) i mieszaniny austenit + cementyt (F A+C ) oraz mieszaniny austenit + grafit (F A+G ) ze zmianą temperatury 4
Wykres Maurera wskazujący rodzaj struktury, jaka powinna powstać w odlewie żeliwnym o grubości 50 mm w zależności od zawartości węgla i krzemu 5
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 6
Żeliwa białe Struktura zgodna z wykresem równowagi fazowej Fe-Fe3C: podeutektyczne i nadeutektyczne Właściwości: twarde i kruche, nie nadają się do obróbki skrawaniem, dobre właściwości odlewnicze i 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. 7
STRUKTURA ŻELIW Z GRAFITEM OSNOWA METALICZNA GRAFIT FAZY ZAWIERAJĄCE FOSFOR I SIARKĘ EUTEKTYKA FOSFOROWA (Fe +Fe 3 P+Fe 3 C) (Fe +Fe 3 P+C) SIARCZKI MnS, FeS 8
Rodzaje osnowy metalicznej i wydzieleń grafitu w żeliwach z grafitem 9
Podział i znakowanie żeliw szarych żeliwa szare zwykłe i żeliwa modyfikowane (PN-EN 1561:2000): EN-GJL-100 (100 Rm [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 10
Żeliwa szare krzepnące bez regulowania procesu krystalizacji zawierają duże płatki grafitu, których obecność wpływa ujemnie na właściwości mechaniczne (Rm<250 N/mm 2 ). Posiadają dużą 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 wytrzymałości żeliw modyfikowanych (Rm>300 N/mm 2 ). 11
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. 12
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 strukturę żeliwa białego. Zmniejszenie szybkości chłodzenia, po zakrzepnięciu warstwy żeliwa białego, powoduje uzyskanie w rdzeniu struktury żeliwa szarego. Pomiędzy warstwą żeliwa 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. 13
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. Proces wyżarzania żeliwa przebiega w zakresie temperatur ~1000-700ºC w czasie ~ 100 godzin. Zależnie od przebiegu cyklu wyżarzania i atmosfery procesu otrzymuje się żeliwo o osnowie ferrytycznej lub perlitycznej, o strukturze jednolitej na przekroju elementu (żeliwo ciągliwe czarne, atmosfera obojętna) lub o zmniejszonej zawartości węgla przy powierzchni odlewu (żeliwo ciągliwe białe, atmosfera utleniająca). Kłaczkowa postać grafitu wpływa korzystnie na właściwości mechaniczne żeliwa. 14
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 15
Przebieg wyżarzania odlewów z żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego czarnego: a- żeliwo ferrytyczne, b- żeliwo perlityczne 16
Właściwości mechaniczne żeliw z grafitem w zależności od osnowy metalicznej i postaci grafitu [N/mm 2 ] Z grafitem płatkowym 17
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 18
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 19