Charakterystyka żeliwa
Żeliwo to stop żelaza z węglem, zwierający jako składnik podstawowy co najmniej 2-4% C w postaci cementytu lub grafitu oraz inne pierwiastki stopowe tj. : Si, S, Mn, Mo, P, Cr, Cu i inne, które polepszenią własności wytrzymałościowe. Żeliwo jest materiałem kruchym, nie nadającym się do obróbki plastycznej ani na zimno, ani na gorąco.
Występowanie konkretnej fazy węgla zależy od szybkości chłodzenia. Chłodzenie powolne sprzyja wydzielaniu się grafitu, a mangan przeciwnie, stabilizuje cementyt. Struktura żeliwa jest głównym czynnikiem określającym jego własności. Zależy zarówno od składu chemicznego jak i szybkości krystalizacji metalu, co związane jest z grubością ścianki odlewu. Jej rodzaj jest wynikiem oddziaływania wielu czynników m.in. składu chemicznego, warunków topnienia, odlewania, krzepnięcia i stygnięcia odlewów oraz warunków obróbki cieplnej.
Żeliwo charakteryzuje się niewielkim skurczem odlewniczym, łatwością wypełnienia form, niską temperaturą topnienia oraz niskim kosztem produkcji, a po zastygnięciu cechują się dużą obrabialnością co sprawia, że żeliwo zalicza się do najpowszechniej stosowanych materiałów odlewniczych w budowie maszyn.
Żeliwo dzieli się na *stopowe oraz *niestopowe
A w zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel, rozróżnia się żeliwa:
- szare (w których węgiel występuje w postaci grafitu)
- białe (w których węgiel występuje w postaci cementytu)
- oraz połowiczne (w których węgiel występuje zarówno w postaci cementytu jak i grafitu)
Oznaczenie żeliwa
EN-GJS-400-15
- pozycja 1: EN - przedrostek oznaczający, że materiał jest znormalizowany
- pozycja 2: Symbol dla żeliwa - GJ (G- oznacza materiał odlewany, J - oznacza żeliwo),
- pozycja 3: Symbol dla postaci grafitu (L-grafit płatkowy, S - kulkowy, M - żarzenia, V - wermikularny, N - struktura nie zawierająca grafitu, ledeburyt, Y - struktura specjalna),
- pozycja 4: Symbol dla mikrostruktury lub makrostruktury (A - austenit, F - ferryt, P - perlit, M - martenzyt, L - ledeburyt, Q - stan po hartowaniu, T - stan po hartowaniu i odpuszczaniu, B - przełom czarny, W przełom biały),
- pozycja 5: Symbol dla klasyfikacji według właściwości mechanicznych wytrzymałość na rozciąganie (np. EN-GJL-HB155, EN-GJN-HV350) lub składu chemicznego (EN-GJL-XNiMn13-7, EN-GJN-X300CrNiSi9-5-2),
- pozycja 6: Symbol dla wymagań dodatkowych (D - odlew surowy, H - odlew po obróbce cieplnej itd.)
Klasyfikacja grafitu
Ilość i postać grafitu ma poważny wpływ na własności żeliwa, składnik ten jest widoczny na nie trawionym szlifie w postaci pasemek o różnej wielkości i kształcie oraz w postaci punktów. Grafit jest bardzo miękki, a jego wytrzymałość jest bliska zeru. Jego obecność jest podstawową cechą struktury żeliwa szarego i sferoidalnego oraz niestopowego i niskostopowego.
Kształt grafitu może być: płatkowy, zwinięty, zwichrzony, rozgałęziony, gwiazdowy, żarzenia: postrzępiony, zwarty, kulkowy.
Grafit powoduje: zmniejszenie skurczu odlewanego żeliwa, polepszenie obrabialności, polepszenie skrawalności, tłumienie drgań, zwiększenie własności ślizgowych, zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej.
Grafit wywołuje także pogorszenie jakości żeliwa. Działa jako karb wewnętrzny powodując nieciągłość osnowy metalicznej, skutkiem czego zmniejsza wytrzymałość na rozciąganie.
Własność odlewnicze żeliwa:
zaliczamy: lejność, skłonność do tworzenia jam skurczowych w odlewach, skłonność do zabieleń, skłonność do powstawania naprężeń odlewniczych w odlewach, wrażliwość na grubość ścianki odlewu
Żeliwo szare
Nazywa się żeliwo, w którym część węgla występuje pod postacią wolną, czyli grafitu, przy czym ilość węgla nie przekracza ilość węgla z perlicie. Stosowane zazwyczaj bez żadnej obróbki cieplnej . Cechują się struktury osnowy: ferrytyczną, ferrytyczno-perlityczną oraz perlityczną.
Osnowa żeliwa szarego jest zbliżona do struktury zwykłej stali - pozwala to na stosowanie do żeliwa prawie wszystkich rodzajów obróbki cieplnej. Obróbka cieplna żeliwa może mieć zastosowanie tylko wtedy gdy znajdujący się w nim grafit jest drobny, dzięki czemu część może podczas nagrzewania w wysokiej temperaturze przejść do roztworu z którego przez chłodzenie otrzymuje się austenit, martenzyt lub inne składniki .
Żeliwa szare niestopowe dzielimy na: szare zwykłe, modyfikowane oraz sferoidalne.
Żeliwa szare niestopowe
SZARE ZWYKŁE
Posiada osnowę ferrytyczną. Charakteryzuje się niską wytrzymałością, słabą odpornością na zużycie ścierne oraz dobrą skrawalnością. Twardość i wytrzymałość żeliwa szarego zwiększa się w miarę zwiększania udziału perlitu w strukturze. Żeliwa szare są powszechnie stosowanym materiałem konstrukcyjnym w przemyśle maszyno-wym, kolejowym, samochodowym (np. korpusy maszyn, płyty fundamentowe, pierścienie tłokowe, bębny hamulcowe, tuleje cylindrowe, armatura itd.).
Zalety:
- dobra obrabialność, lejność oraz skrawalność
- duża zdolność tłumienia drgań oraz stałość wymiarów
- bardzo dobre własności odlewnicze
- niski koszt wytwarzania
Wady:
- stosunkowo niewielka wytrzymałość
- niewielka plastyczność
- mała odporność na ścieranie oraz na korozję w ośrodkach chemicznych
Żeliwa szare niestopowe
SZARE MODYFIKOWANE
Modyfikowanie jest podstawowym zabiegiem w procesie wytwarzania wysokojakościowego żeliwa szarego.
W skład tego zabiegu wchodzą: dobór i przygotowanie żeliwa wyjściowego oraz modyfikatorów, wprowadzanie modyfikatorów do ciekłego żeliwa wyjściowego, odlewanie żeliwa modyfikowanego, kontrola procesu modyfikacji.
Żeliwo modyfikowane, podobnie jak żeliwo szare zwykłe, wykazuje bardzo niskie własności plastyczne. Najkorzystniejsze własności ma żeliwo modyfikowane o osnowie perlitycznej. Żeliwo to krzepie jako szare a węgiel wydziela się w postaci bardzo licznych drobnych płatków grafitu, równomiernie rozmieszczonych w osnowie. Jego wytrzymałość na rozciąganie (Rm) może wynosić 300-400Mpa, to też najczęściej modyfikację stosuje się do żeliw szarych o podwyższonej wytrzymałości.
Żeliwa szare niestopowe
SZARE SFEROIDALNEGO
Żeliwo sferoidalne w odróżnieniu od pozostałych grup żeliw szarych posiada bardzo dobre własności wytrzymałościowe i plastyczne oraz przejawia znacznie mniejszą skłonność od koncentracji naprężeń, dzięki kulistej postaci grafitu.
Zalety:
- bardzo dobre własności wytrzymałościowe i plastyczne
- mniejsza skłonność do koncentracji naprężeń
- dobra lejność (lepsza od żeliwa szarego), szczelność
- wysoka udarność
- duża odporność wytrzymałość zmęczeniowa i odporność na wysokie ciśnienia
Wady:
- duża skłonność do powstawania naprężeń własnych i jam skurczowych w odlewach
- mała przewodność cieplna
- duży koszt produkcji
Żeliwo białe
Żeliwo białe jest żeliwem nie zawierającym grafitu, w którym cały węgiel występuje w postaci związanej. Struktura żeliwa białego stanowi ledeburyt przemieniony i ewentualnie - steadyt. Ze względu na bardzo dużą kruchość i złą skrawalność żeliwa białe nie znalazły bezpośredniego zastosowania, chociaż stanowią produkt do wytwarzania żeliw ciągliwych.
Żeliwo połowiczne
Żeliwo połowiczne posiada strukturę stanowiącą mieszankę typową zarówno dla żeliw białych jak i szarych. Jego strukturę stanowi perlit, ledeburyt przemieniony, cementyt, grafit oraz steadyt. Żeliwa połowiczne podobnie jak żeliwa białe nie znajdują również bezpośredniego zastosowania. Niekiedy stosuje się jednak tzw. odlewy zabielone. Elementy, takie jak walce hutnicze i bębny młynów, od których jest wymagana duża odporność na ścieranie, po odlaniu początkowo chłodzi się z dużą szybkością, w wyniku czego na powierzchni powstaje warstwa żeliwa białego. Zmniejszanie szybkości chłodzenia po zakrzepnięciu warstwy zewnętrznej odlewu powoduje uzyskanie w rdzeniu struktury żeliwa szarego. Między twardą warstwą zewnętrzną, a plastycznym rdzeniem tworzy się wówczas warstwa pośrednia o strukturze żeliwa połowicznego.
ŻELIWO CIĄGLIWE
Otrzymuje się z żeliwa białego w wyniku wyżarzania grafityzującego. Podczas tej operacji cementyt ulega rozpadowi i wydziela się tzw. węgiel żarzenia. Żeliwo to charakteryzuje się dobrymi własnościami zarówno wytrzymałościowymi jak i plastycznymi. Jest stosowane m.in. w przemysłach górniczym, samochodowym, ciągnikowym, rolniczym, do wytwarzania licznych i drobnych elementów. W zależności od parametrów procesu technologicznego żeliwo ciągliwe dzielimy na: żeliwo ciągliwe białe (odwęglone); żeliwo ciągliwe czarne (nie odwęglone)
Żeliwo ciągliwe białe
Zalety:
- dobra szczelność i odporność na wysokie ciśnienie
- bardzo dobra skrawalność
- odporność na działanie czynników korozyjnych
- nadaje się do spawania
Wady:
- niskie własności mechaniczne
- mała odporność na ścieranie
- ograniczona możliwość wykonywania odlewów o większej grubości ścianki
Żeliwo ciągliwe czarne
Zalety:
- dobre własności wytrzymałościowe
- wysokie własności plastyczne
- duża odporność na obciążenia dynamiczne
- dobra skrawalność
- jednorodna struktura w całym przekroju odlewu
- szczelność i odporność na wysokie ciśnienia
- odporność na działanie czynników korozyjnych
- jednakowa twardość w całym przekroju niezależnie od grubości ścianki odlewu
Żeliwa stopowe
Żeliwa stopowe są stosowane tylko na odlewy bardziej odpowiedzialne, pracujące w specjalnie ciężkich warunkach . Od żeliw stopowych wymaga się własności specjalnych takich jak:
Odporność na korozję, Odporność na wysoką temperaturę, Odporność na ścieranie, zwiększenie własności mechanicznych, polepszenie własności fizycznych np. magnetycznych lub elektrycznych.
Wyróżniamy żeliwa stopowe: aluminiowe; chromowe; krzemowe; manganowe; miedziowe; molibdenowe; niklowe; tytanowe; wanadowe oraz ich połączenia
Żeliwa stopowe o podwyższonej odporności na ścieranie.
Odporność żeliwa na ścieranie jest zwiększana przez dodatki stopowe, które powodują:
- wzrost twardości osnowy,
- zmianę ilości, postaci, wymiarów i rozmieszczenia wydzieleń grafitu
- całkowite wyeliminowanie tego składnika strukturalnego (tylko w niektórych gatunkach)
Właściwości tego żeliwa, zwłaszcza podwyższona twardość, wskazują na możliwość jego zastosowania na części maszyn współpracujące w warunkach smarowania (tuleje, panewki, koła zębate) oraz elementy hamulców pracujące w warunkach tarcia suchego (bębny, tarcze, klocki). Taka przydatność tworzywa została potwierdzona jego zastosowaniem na elementy cierne w hamulcu pojazdów gąsienicowych.
Żeliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe
Niestopowe żeliwo szare odznacza się niewielką żaroodpornością, którą można polepszyć poprzez wprowadzenie dodatków stopowych. Korzystny wpływ mają Si oraz Cr. Nikiel polepsza żarowytrzymałość oraz plastyczność żeliwa, natomiast słabiej od Si i Cr podnosi odporność na utlenianie.
Żarowytrzymałość ulega powiększeniu przez dodatek Mo.
Żeliwa stopowe odporne na korozję
Zarówno żeliwo stopowe jak i niestopowe, wykazuje większą odporność na korozję niż stale bądź staliwa niestopowe. Polepszanie odporności na korozję powodują pierwiastki stopowe, z których najintensywniej działają Si, Cr oraz Ni, w mniejszym stopniu natomiast Mn i Cu.
Wnioski:
1. Struktura żeliwa jest głównym czynnikiem określającym jego własności. Rodzaj struktury jest wynikiem oddziaływania wielu czynników takich jak: skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej, warunki topnienia, odlewania, krzepnięcia oraz stygnięcia odlewów.
2. Mimo wielu istniejących na rynku materiałów konstrukcyjnych, żeliwo jest materiałem najczęściej stosowanym w budowie maszyn. Rozpowszechnienie w przemyśle zawdzięcza głównie dzięki dobrym własnościom wytrzymałościowym, dobrej skrawalności, niskiej temperaturze topnienia oraz względnie niskim kosztom produkcji.