1

śeliwa śeliwa są stopami Ŝelaza z węglem o zawartości węgla powyŜej 2% (zazwyczaj w zakresie 2 ÷ 6,7%). Dzięki temu ich temperatury topnienia są niŜsze niŜ stali i wynoszą ok. 1200°C. Są szeroko rozpowszechnione jako stopy odlewnicze, tanie, o dobrej lejności umoŜliwiającej otrzymywanie odlewów o złoŜonym kształcie i wadze od kilku gramów do kilkuset ton. Węgiel w Ŝeliwie moŜe występować w postaci związanej z Ŝelazem jako cementyt lub jako grafit o róŜnych kształtach. O tym, w jakiej postaci będzie występował węgiel w Ŝeliwie, decydują: skład chemiczny i szybkość chłodzenia podczas krystalizacji Ŝeliwa. Cementyt jest fazą metastabilną i przy małej szybkości chłodzenia, duŜej zawartości węgla i obecności takich pierwiastków, jak krzem i nikiel, moŜe ulegać grafityzacji, czyli rozkładać się na grafit i Ŝelazo (właściwie jest to ferryt, gdyŜ atomy węgla rozpuszczają się w sieci Feα):

Fe3C 3 Fe + Cgrafit

Zwykle zawartość krzemu w Ŝeliwie wynosi 0,8 ÷ 4,5%. Zmieniając zawartość krzemu moŜna regulować stosunek ilości węgla związanego, czyli cementytu, do ilości grafitu i zmieniać właściwości Ŝeliwa. śeliwa zawierające węgiel w postaci cementytu noszą nazwę Ŝeliw białych (jasny przełom), a zawierające grafit – Ŝeliw szarych (ciemny przełom). Poza węglem i krzemem w Ŝeliwach występują takie pierwiastki jak: mangan, fosfor i siarka. Mangan przeciwdziała wydzielaniu się węgla w postaci grafitu i odbieleniu Ŝeliwa. Jego zawartość w Ŝeliwie nie przekracza 1,0% i do tej zawartości jego wpływ jest korzystny, gdyŜ zwiększa wytrzymałość oraz twardość Ŝeliwa. Przy większej zawartości manganu wzrasta skurcz i Ŝeliwo staje się kruche. Fosfor zwiększa rzadkopłynność Ŝeliwa, dlatego dopuszcza się jego zawartość do 0,4%. Dla odlewów Ŝeliwnych, które winny być wytrzymałe dopuszcza się 0,15% P, poniewaŜ fosfor zwiększa kruchość Ŝeliwa. Siarka znacznie obniŜa lejne i mechaniczne właściwości Ŝeliwa, utrudnia wydzielanie się grafitu, zwiększa skurcz, kruchość i obniŜa rzadkopłynność. Nie dopuszcza się do przekroczenia zawartości 0,1%. Odlewy z Ŝeliwa stopowego mogą zawierać nikiel, chrom, molibden, wolfram, wanad, miedź i inne pierwiastki. Jeśli sumaryczna ilość pierwiastków stopowych jest poniŜej 2,5%, to odlewy z takiego Ŝeliwa

Si

mała szybkość chłodzenia

2

naleŜą do niskostopowych; przy sumarycznej zawartości składników stopowych 2,5 ÷ 10% – do średniostopowych i powyŜej 10% – do wysokostopowych. Jak wyŜej wspomniano, na grawitację Ŝeliwa ma istotny wpływ szybkość chłodzenia odlewu. Im mniejsza szybkość chłodzenia odlewu, tym łatwiej przebiega proces grafityzacji. Dlatego teŜ przy jednym i tym samym składzie Ŝeliwa w odlewach moŜna otrzymać róŜne struktury w ich przekrojach. Na powierzchni odlewu, gdzie szybkość chłodzenia jest duŜa, moŜliwe jest powstanie struktury Ŝeliwa białego, a wewnątrz odlewu moŜe powstać Ŝeliwo z róŜnym stopniem grafityzacji. Aby uchronić się przed zabielaniem Ŝeliwa, na odlewy o małych przekrojach stosuje się Ŝeliwo o podwyŜszonej zawartości pierwiastków grafityzujących w porównaniu z Ŝeliwem na odlewy o duŜych przekrojach. śeliwa moŜemy podzielić na: białe, szare gdzie wyróŜniamy między innymi: sferoidalne i ciągliwe. śeliwa białe Jak juŜ wspomniano, w Ŝeliwie białym węgiel występuje w postaci cementytu. Podział tych Ŝeliw i ich struktury wynikają bezpośrednio z wykresu równowagi Fe–Fe3C. Są one następujące:

1) Ŝeliwo białe podeutektyczne zawierające od 2% do 4,3% węgla, o strukturze składającej się z perlitu, ledeburytu przemienionego i cementytu wtórnego;

2) Ŝeliwo białe eutektyczne zawierające 4,3% węgla, o strukturze ledeburytu przemienionego;

3) Ŝeliwo białe nadeutektyczne zawierające od 4,3% do 6,67% C (w praktyce do 5% C), o strukturze składającej się z ledeburytu przemienionego i cementytu pierwotnego.

Na rysunku 1 przedstawiono mikrostruktury Ŝeliwa podeutektycznego, eutektycznego i nadeutektycznego. Cementyt powoduje, iŜ Ŝeliwa białe są twarde i odporne na ścieranie, lecz kruche i trudno obrabialne. W zasadzie Ŝeliwo to nie jest uŜywane na odlewy, ale stanowi jedynie pośredni materiał do produkcji Ŝeliwa ciągliwego. Jeśli potrzebna jest duŜa twardość i odporność na zuŜycie pewnych powierzchni odlewu Ŝeliwa szarego (jak np. ma to miejsce przy produkcji kół wagonów kolejowych), to wówczas wytwarza się w tych miejscach strukturę Ŝeliwa białego przez szybkie chłodzenie. Forma piaskowa w tych miejscach ma

3

metalową płytę, która zapewnia szybkie odprowadzenie ciepła i tzw. zabielenie warstwy wierzchniej odlewu.

a) b)

c)

Rys. 1. śeliwo białe (wytrawione Nital): a – podeutektyczne (ciemne dendryty perlitu na tle ledeburytu przemienionego i cementytu drugorzędowego), pow. 250×; b – eutektyczne, ledeburyt przemieniony, pow. 250×; c – nadeutektyczne (jasne, iglaste kryształy cementytu pierwotnego na tle ledeburytu przemienionego, pow. 250×

śeliwa szare W Ŝeliwie szarym węgiel moŜe występować w postaci grafitu lub grafitu i węgla związanego w cementycie. Grafit przybiera dzięki obecności krzemu kształt płatków (na przekroju mających kształt Ŝyłek). Mikrostrukturę takiego Ŝeliwa bez trawienia pokazano na rys. 2.

4

Rys. 2. śeliwo szare nie wytrawione (modyfikowane). Grafit w formie płatków; pow. 100×

Płatki grafitu otoczone są przez osnowę metaliczną, która odpowiednio do

stopnia grafityzacji cementytu moŜe być: perlityczna, ferrytyczna lub ferrytyczno-perlityczna. W zaleŜności od struktury metalicznej osnowy odróŜnia się trzy gatunki Ŝeliwa szarego:

1. śeliwo szare perlityczne ma strukturę składającą się z płatków grafitu otoczonych perlitem. PoniewaŜ w perlicie występuje cementyt, zatem część węgla zawartego w Ŝeliwie jest w postaci związanej w ilości 0,8% C (tyle węgla zawiera perlit), a reszta w stanie wolnym, tj. w postaci grafitu (rys. 3 a).

2. śeliwo szare ferrytyczne ma strukturę składającą się z płatków grafitu otoczonych ziarnami ferrytu. Cały węgiel zawarty w Ŝeliwie jest w stanie wolnym, tj. w postaci grafitu (rys. 3 b).

3. śeliwo szare ferrytyczno-perlityczne ma strukturę składającą się z płatków grafitu w osnowie ferrytu i perlitu. Ilość węgla związanego w postaci cementytu w tym Ŝeliwie jest mniejsza niŜ 0,8%.

a) b) Rys. 3. Mikrostruktury Ŝeliwa szarego: a – Ŝeliwo szare modyfikowane, grafit + perlit + eutektyka

fosforowa (trawione Nital), pow. 500×; b – Ŝeliwo ferrytyczne, grafit w formie duŜych płatków (nietrawione), pow. 100×

5

Wielkość i rozmieszczenie płatków grafitu ma istotny wpływ na właściwości Ŝeliwa, znaczniejszy niŜ osnowa metaliczna. Większa ilość grafitu zmniejsza wytrzymałość na rozciąganie i ciągliwość, ale zachowuje wysoką wytrzymałość i plastyczność Ŝeliwa przy ściskaniu. ObniŜenie wytrzymałości na rozciąganie wynika z tego, iŜ wydzielenia grafitu, z uwagi na jego zerową wytrzymałość zmniejszają rzeczywisty przekrój materiału przenoszącego obciąŜenie i poza tym działają jako karby koncentrujące napręŜenia. WaŜną, korzystną cechą Ŝeliwa szarego, wynikającą z obecności grafitu, jest zdolność do tłumienia drgań (z tego względu uŜywane jest ono na korpusy obrabiarek). Poza tym, grafit poprawia obrabialność i zmniejsza współczynnik tarcia Ŝeliwa. Lepsze właściwości otrzymuje się przez modyfikowanie Ŝeliwa krzemkiem wapnia („zarodkowanie” cieczy), co prowadzi do rozdrobnienia grafitu; jest to tzw. Ŝeliwo modyfikowane. śeliwa ci ągliwe W Ŝeliwie szarym grafit powstaje w wyniku grafityzacji cementytu podczas krystalizacji. W Ŝeliwach ciągliwych grafityzację przeprowadza się drogą obróbki cieplnej w stanie stałym, a mianowicie poprzez wyŜarzanie grafityzujące Ŝeliwa białego (w którym cały węgiel jest związany w postaci cementytu) w temperaturze ok. 850°C. WyŜarzanie przeprowadza się w atmosferze obojętnej (Ŝeliwo ciągliwe czarne) lub w atmosferze odwęglającej (Ŝeliwo ciągliwe białe). Nazwy Ŝeliw pochodzą od wyglądu przełomu. Powstający grafit występuje w postaci skupisk niteczek zwanych węglem Ŝarzenia. Jest to korzystniejsza forma grafitu niŜ grafitu płatkowego i dlatego Ŝeliwa ciągliwe mają dobrą plastyczność. W Ŝeliwie ciągliwym czarnym osnową otaczającą węgiel Ŝarzenia są ziarna ferrytu i Ŝeliwo to nazywane jest Ŝeliwem ciągliwym ferrytycznym (rys. 4 a). W Ŝeliwie ciągliwym białym w warstwie powierzchniowej (3 ÷ 5 mm) występuje ferryt, natomiast w rdzeniu, w przedmiotach o większej grubości ścianek (powyŜej 10 mm) występuje węgiel Ŝarzenia na tle osnowy perlityczno-ferrytycznej (rys. 4 b).

6

a) b)

Rys. 4. Mikrostruktury Ŝeliw ciągliwych (wytrawiane, Nital): a – Ŝeliwo ciągliwe czarne, węgiel Ŝarzenia + ferryt, w niektórych ziarnach ferrytu (szare) siarczki manganu, pow. 100×; b – Ŝeliwo

ciągliwe białe, węgiel Ŝarzenia + ferryt + perlit, pow. 100×

śeliwa sferoidalne Dodanie do Ŝeliwa w trakcie krystalizacji magnezu lub ceru (lub obu pierwiastków razem) zmienia mechanizm tworzenia się grafitu, w wyniku czego otrzymuje się grafit w postaci kulek. Ta postać grafitu wywołuje najmniejsze osłabienie właściwości mechanicznych, dlatego Ŝeliwo sferoidalne wykazuje dobre właściwości wytrzymałościowe i niezłą plastyczność. Po odlaniu osnowa Ŝeliwa jest w zasadzie perlityczna, ale moŜna ją zmienić przez obróbkę cieplną. Tak więc osnowa moŜe być perlityczna, ferrytyczno-perlityczna lub ferrytyczna. Na rysunku 5 przedstawiono strukturę Ŝeliwa sferoidalnego ferrytyczno-perlitycznego.

Rys. 5. Mikrostruktura Ŝeliwa sferoidalnego ferrytyczno-perlitycznego (trawione Nital); ciemne kuleczki grafitu na tle jasnego ferrytu i szarego perlitu, pow. 250×

śeliwo sferoidalne ferrytyczne (rys. 6) ma duŜą ciągliwość, a wytrzymałość na rozciąganie równą ok. 400 MPa, natomiast Ŝeliwo sferoidalne perlityczne ma małą ciągliwość, ale duŜą wytrzymałość na rozciąganie dochodzącą do 1000 MPa.

7

Rys. 6. śeliwo szare sferoidalne; trawienie Nital; grafit + ferryt; pow. 250×

Do Ŝeliw stosuje się obróbkę cieplną w celu:

– usunięcia napręŜeń własnych (pozostałych po chłodzeniu odlewu) poprzez wyŜarzanie w temperaturach ok. 630°C lub sezonowanie, czyli przetrzymywanie w temperaturze otoczenia przez ok. rok;

– zahartowania i odpuszczania; hartowanie przeprowadza się z temperatury ok. 870°C;

– otrzymania Ŝeliwa szarego ferrytycznego, poprzez wyŜarzanie Ŝeliwa szarego o zwiększonej nieco zawartości krzemu (ok. 2 ÷ 2,5%) w temperaturze 700 ÷ 760°C.

Dobierając odpowiednią obróbkę cieplną moŜna w Ŝeliwie szarym otrzymać róŜne metaliczne osnowy: perlit, ferryt, martenzyt i bainit. Nagrzewanie Ŝeliwa do temperatury 750 ÷ 870°C prowadzi do powstania dwóch faz: grafitu (który juŜ był) i austenitu (powstałego z przemiany strukturalnej osnowy w temperaturze powyŜej A1). Chłodzenie umiarkowanie wolne z tej temperatury daje osnowę perlityczną, szybkie – martenzytyczną. Przechładzając do temperatury powyŜej Ms (temperatura początku przemiany w martenzyt) moŜna otrzymać bainit. Z Ŝeliw stopowych naleŜy wymienić Ŝeliwa austenityczne, w których dodatki niklu, chromu, miedzi lub manganu na tyle rozszerzają zakres istnienia stabilnego austenitu, iŜ istnieje on w temperaturze pokojowej i poniŜej. śeliwa te są odporne na korozję i podwyŜszoną temperaturę oraz mają specjalne właściwości, np. małą rozszerzalność i są niemagnetyczne. Oznaczenie Ŝeliwa według Polskich Norm składa się z litery Z, po której występują małe litery: l – dla Ŝeliwa szarego, s – dla Ŝeliwa sferoidalnego, c – dla Ŝeliwa ciągliwego. Następne duŜe litery oznaczają: B – Ŝeliwo ciągliwe białe, C – Ŝeliwo ciągliwe czarne, P – Ŝeliwo ciągliwe

8

perlityczne. Po symbolu literowym są liczby: trzycyfrowe – w Ŝeliwach szarych oznaczające minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa, pięciocyfrowe – w innych Ŝeliwach, z których początkowe trzy oznaczają minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa, a dwie ostatnie – wydłuŜenie w %. Przykłady oznaczeń: Zl 300 – Ŝeliwo szare o Rm = 300 MPa; Zs 50007 – Ŝeliwo sferoidalne o Rm = 500 MPa i A = 7%; ZcB 40005 – Ŝeliwo ciągliwe białe o Rm = 400 MPa i A = 5%. Zastosowanie Ŝeliw w okr ętownictwie śeliwa szare zwykłe, z uwagi na niskie własności mechaniczne i duŜą kruchość (brak wydłuŜenia), mają ograniczone zastosowanie. Mogą być uŜyte na części, od których wymagana jest duŜa zdolność tłumienia drgań mechanicznych, a naraŜone są na małe obciąŜenia. Wymagania stawiane Ŝeliwom szarym dla konstrukcji okrętowych podają przepisy tow. Klasyfikacyjnych, np. Polskiego Rejestru Statków. śeliwa modyfikowane, dzięki rozdrobnionym wydzieleniom grafitu, wykazują lepsze własności mechaniczne i większe wydłuŜenie, wobec czego mogą być uŜyte na średnio obciąŜone części maszyn i urządzeń. śeliwa takie znajdują zastosowanie do wykonywania odlewów korpusów silników, skrzynek przekładniowych, tulei silników spalinowych, korpusów łoŜysk linii wałów, wirników pomp, aparatury sanitarnej. śeliwa sferoidalne, dzięki grafitowi w formie kulkowej, wykazują znacznie lepsze własności mechaniczne oraz większe wydłuŜenie, a ponadto mogą podlegać obróbce cieplnej, która znacznie zwiększa własności mechaniczne. Takie Ŝeliwa znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle maszynowym, transporcie i budownictwie. Dynamiczny rozwój produkcji Ŝeliw sferoidalnych spowodował, iŜ ich zastosowanie w ostatnich latach przewyŜsza wszystkie inne stopy odlewnicze. śeliwo sferoidalne jest stosowane do wykonywania zaworów i łączników rurociągów do paliw i gazów płynnych, na części pomp i spręŜarek, na tłoki silników spalinowych, wały wykorbione silników wysokopręŜnych i benzynowych, korpusy łoŜysk linii wałów na okrętach. Znaczne zastosowanie znajdują teŜ Ŝeliwa sferoidalne stopowe, których moŜna uŜyć do produkcji części maszyn pracujących w podwyŜszonych temperaturach (rozrząd silników odrzutowych) i obniŜonych (pompy do ciekłych gazów).

9