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-Fe3C;

linia przerywana - wykres Fe-C(grafit).

Opis fazowy wykresu równowagi Fe-C(grafit)

Zmiana energii swobodnej ciekłego stopu (FL) i mieszaniny austenit + cementyt

(FA+C) oraz mieszaniny austenit + grafit (FA+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+ Fe3C, 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-Fe3C: 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

SIARCZKI MnS, FeS

EUTEKTYKA FOSFOROWA

(Feα+Fe3P+Fe3C) (Feα+Fe3P+C)

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 – Rm [N/mm2])EN-GJL-350 (żeliwo modyfikowane)

• żeliwa sferoidalne (PN-EN 1563:2000)

EN-GJS-350-22 (350 - Rm [N/mm2], 22 – A [%])EN-GJS-450-10EN-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/mm2). 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 wytrzymałości żeliw modyfikowanych (Rm>300 N/mm2).

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 dużąszybkością, 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.

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.

lub

�Żeliwo ciągliwe białe

�Żeliwo ciągliwe czarne:

� 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/mm2]

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

Odlewy silniej obciążone: wałki rozrządu, wały korbowe, krzywki, koła zębate, klucze maszynowe, podstawy dział

Osnowa

perlityczna

Osnowa

ferrytycznaOdlewy nie wymagające większej wytrzymałości, a przy tym tanie: części maszyn rolniczych,maszyn do szycia, artykułów gospodarstwa domowego

Ciągli-we

Części samochodowe (wałki rozrządu, korbowody, wały korbowe, części układu kierowniczego), koła zębate i wrzeciona obrabiarek, części armatury przemysłowej, walce hutnicze

Sferoidalne

Masowo produkowane odlewy nie przenoszące obciążeń (ruszty, płyty i drzwi pieców, grzejniki, wanny, zlewy), odlewy części maszyn, wlewnice, cylindry samochodowe, tłoki

Szare z grafitem płatkowym

Odlewy odporne na ścieranie, nie wymagające większej obróbki skrawaniem: wykładziny i ślimaki mieszalników i przenośników materiałów sypkich,kule młynów kulowych, klocki hamulcowe

Zastosowanie

Białe

Rodzaj żeliwa

Żeliwa stopowe

Żeliwa stopowe

• Do żeliw stopowych są wprowadzane dodatki stopowe, występujące oprócz domieszek.

• Pierwiastki te są dodawane w celu polepszeniawłasności 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: Rm (380-500 MPa),A (6-45%), HB (130-250), KCU (20-40 J/cm2)