3 lab. wejściówka.odt

1 Co to są żeliwa.
2 Wpływ domieszek na szybkość chłodzenia i strukturę żeliw
3 Podział żeliw z punktu widzenia występujących składników strukturalnych.
4 Metody otrzymywania i modyfikacji żeliw oraz zastos...owanie.
5 Właściwości żeliw np. twardość itp.
6 Wyżarzanie żeliw (żeby uzyskać inna strukturę).

Ad.1

Żeliwo - stop odlewniczy żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem, siarką i innymi składnikami zawierającymi od 2% do 3,6% węgla w postaci cementytu lub grafitu. Występowanie konkretnej fazy węgla zależy od szybkości chłodzenia. Chłodzenie powolne sprzyja wydzielaniu się grafitu. Także i dodatki stopowe odgrywają tu pewną rolę. Krzem powoduje skłonność do wydzielania się grafitu, a mangan przeciwnie, stabilizuje cementyt. Żeliwo otrzymuje się przez przetapianie surówki z dodatkami złomu stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwniakami. Tak powstały materiał stosuje się do wykonywania odlewów. Żeliwo charakteryzuje się niewielkim - 1,0% do 2,0% skurczem odlewniczym, łatwością wypełniania form - dobrą lejnością, niewielką skłonnością do segregacji, oraz dobrą obrabialnością.

Otrzymywane w żeliwach struktura i właściwości nie są jednoznacznie określone składem chemicznym żeliwa, lecz zależą również od warunków w jakich przebiega krzepnięcie i stygnięcie żeliwa.

Ad.3

Ze względu na zawartość węgla w żeliwach wyróżniamy:

·                    żeliwa eutektyczne - mieszzanina perlitu i cementytu pierwotnego

·                    żeliwa podeutektyczne - o zawartości węgla poniżej 4,3% składa się z perlitu, ledeburytu przemienionego oraz cementytu wtórnego.

·                    żeliwa nadeutektyczne - o zawartości węgla powyżej 4,3% składa się z cementytu pierwotnego i ledeburytu przemienionego

1.2 Struktura i właściwości żeliw białych

Żeliwo białe – żeliwo, w którym węgiel występuje w postaci kruchego cementytu. Którego podstawowymi składnikami są:

·                    cementyt pierwotny (w żeliwach nadeutektycznych)

·                    ledeburyt przemieniony (we wszystkich żeliwach białych)

·                    perlit (w żeliwach podeutektycznych oraz ledeburycie przemienionym)

Nazwa jego pochodzi od faktu, iż jego przełom ma jasnoszary kolor.

Uznawane za żeliwo niższej jakości, jest mniej ciągliwe, gorzej obrabialne, charakteryzuje się nie najlepszą lejnością i posiada większy skurcz odlewniczy (do 2,0%) niż żeliwo szare. Jest to żeliwo kruche i nieobrabialne, nie nadaje się na części konstrukcyjne. Jest materiałem wyjściowym do otrzymywania żeliwa ciągliwego.

1.3 Struktura i właściwości żeliw połowicznych

Żeliwo połowiczne ma strukturę stanowiącą mieszaninę struktur typowych zarówno dla żeliw szarych, jak i białych. Występuje więc w nim:

·                    perlit

·                    ledeburyt przemieniony

·                    cementyt

·                    grafit

·                    steadyt.

Żeliwa połowiczne 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.

1.4 Struktura i właściwości żeliw szarych

Żeliwo szare – żeliwo, w którym węgiel występuje w postaci związanej - cementyt w ledeburycie oraz w postaci wolnej- grafit. Składnikami żeliwa szarego są:

·                    grafit

·                    ledeburyt przemieniony

·                    pelit

Nazwa jego pochodzi od faktu, iż jego przełom ma szary kolor. Uznawane za żeliwo wyższej jakości, jest bardziej ciągliwe, łatwiej obrabialne, charakteryzuje się dobrą lejnością i posiada mniejszy skurcz odlewniczy – (rzędu 1,0%), niż żeliwo białe.

Ze względu na rodzaj osnowy metalicznej wyróżniamy żeliwa szare:

·                    ferrytyczne

·                    ferrytyczno- perlityczne

·                    perlityczne

Na strukturę i właściwości grafitu wpływa również rozmieszczenie oraz postać grafity w nim występującym. Ze względu na kształt grafit dzieli się na płatkowy, zwarty, kylkowy (regularny i nieregularny) gwiazdkowy, kłaczkowy oraz postrzępiony.

Szczególnym typem żeliwa szarego jest żeliwo sferoidalne, które uzyskuje się przez modyfikowanie cerem lub stopami magnezu żeliwa, które zakrzepłoby jako żeliwo białe lub połowiczne. Z żeliwa szarego wytwarza się odlewy korpusów, obudów, bloków pomp, sprężarek i silników.

1.5 Struktura i właściwości żeliw ciągliwych

Żeliwo ciągliwe jest otrzymywane z żeliwa białego w wyniku wyważania grafityzującego. Podczas tej operacji cementyt ulega rozpadowi i wydziela się tzw. węgiel żarzenia (grafit żarzenia) w postaci kłaczkowatych skupień.

Żeliwo ciągliwe charakteryzuje się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i plastycznymi. Jest stosowane między innymi w przemysłach: górniczym, samochodowym, ciągnikowym, rolniczym, do wytwarzania licznych, drobnych elementów maszyn.

W zależności od parametrów procesu technologicznego żeliwo ciągliwe można podzielić na dwie grup:

·                    żeliwo ciągliwe białe (odwęglone)

·                    żeliwo ciągliwe czarne (nie odwęglone)

·                    żeliwa ciągliwego perlitycznego o wytrzymałości na rozciąganie powyżej ok. 400 MPa.

1.6 Żeliwa specjalne

Żeliwa stopowe o specjalnych właściwości wyróżniamy następujące grupy żeliw:

·                    odporne na ścieranie

·                    odporne na korozje

·                    żaroodporne

·                    dużym elektrycznym oporze właściwym

Krzem wpływa na zarodkowanie grafitu, w wyniku czego płatki grafitu stają się drobniejsze i bardziej równomiernie rozmieszczone. Podczas procesu grafityzacji pierwiastek ten, działając podobnie jak węgiel, zwiększa skłonność do tworzenia grafitu, a nie cementytu podczas krystalizacji i przemiany eutektoidalnej.

Mangan tworzy bardziej trwałe niż cementyt węgliki Mn3C lub (Fe, Mn)3C. W rezultacie mangan zapobiega grafityzacji.

Siarka jest domieszką szkodliwą. Jej obecność powoduje pogorszenie właściwości odlewniczych żeliwa przez zmniejszenie rzadkopłynności i zwiększenie skłonności do tworzenia się pęcherzy gazowych.

Fosfor tworzy eutektykę fosforową (steadyt), która charakteryzuje się niską temperaturą topnienia (około 950 °C) i bardzo dużą twardością (około 500 HB).

Żeliwo otrzymuje się przez przetapianie surówki z dodatkami złomu stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwiakami. Tak powstały materiał stosuje się do wykonywania odlewów. Żeliwo charakteryzuje się niewielkim - 1,0 do 2,0% skurczem odlewniczym, łatwością wypełniania form, a po zastygnięciu obrabialnością. Wyroby odlewnicze po zastygnięciu, by usunąć ewentualne ostre krawędzie i pozostałości formy odlewniczej, poddaje się szlifowaniu. Odlew poddaje się także procesowi sezonowania, którego celem jest zmniejszenie wewnętrznych naprężeń, które mogą doprowadzić do odkształceń lub uszkodzeń wyrobu. Żeliwo dzięki wysokiej zawartości węgla posiada wysoką odporność na korozję.

Żeliwo dzieli się na następujące kategorie:

•       żeliwo szare:

•       szare zwykłe (zawiera grafit płatkowy różnej wielkości)

•       żeliwo sferoidalne (zawiera grafit sferoidalny)

•       żeliwo modyfikowane (zawiera drobny grafit płatkowy)

•       żeliwo wermikularne

•       żeliwo białe

•       żeliwo połowiczne

•       żeliwo ciągliwe (zawiera grafit postrzępiony(grafit kłaczkowy))

•       żeliwo ciągliwe białe

•       żeliwo ciągliwe czarne

•       żeliwo ciągliwe perlityczne

•       żeliwo stopowe

Żeliwo szare – żeliwo, w którym węgiel występuje w postaci grafitu. Nazwa jego pochodzi od faktu, iż jego przełom ma szary kolor. Uznawane za żeliwo wyższej jakości, jest bardziej ciągliwe, łatwiej obrabialne, charakteryzuje się dobrą lejnością i posiada mniejszy skurcz odlewniczy – (rzędu 1,0%), niż żeliwo białe. Wytwarza się z niego odlewy korpusów, obudów, bloków pomp, sprężarek i silników.

Żeliwo białe – żeliwo, w którym węgiel występuje w postaci kruchego cementytu. Nazwa jego pochodzi od faktu, iż jego przełom ma jasnoszary kolor. Uznawane za żeliwo niższej jakości, jest mniej ciągliwe, gorzej obrabialne, charakteryzuje się nie najlepszą lejnością i posiada większy skurcz odlewniczy (do 2,0%) niż żeliwo szare. Jest to żeliwo kruche i nieobrabialne, nie nadaje się na części konstrukcyjne. Jest materiałem wyjściowym do otrzymywania żeliwa ciągliwego.

Żeliwo ciągliwe – żeliwo otrzymane w wyniku długotrwałego wyżarzania żeliwa białego (wyżarzanie grafityzujące). Grafit powstaje dopiero podczas wyżarzania grafityzującego. Jest to tak zwana grafityzacja wtórna, czyli rozpad powstałego już cementytu. Wydzielenia węgla w postaci grafitu kłaczkowego (węgla żarzenia) są skupione, w niewielkim stopniu wpływają na osłabienie użytecznego przekroju materiału i nie wywołują dużej koncentracji naprężeń. Żeliwo takie posiada bardzo dobre własności wytrzymałościowe, porównywalne do żeliwa sferoidalnego i stali.

Wyżarzanie grafityzujące (grafityzacja) – stosuje się w stosunku do żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego. W czasie tego typu wyżarzania cementyt rozkłada się na ferryt i grafit.

Żeliwo sferoidalne – jest to żeliwo szare w którym grafit

występuje w postaci kulkowej, pod postacią sferoidalnych skupień.

Uzyskuje się je w wyniku modyfikowania żeliwa o tendencji krzepnięcia jako szare,lecz o bardzo małym stężeniu siarki i fosforu.

Jako modyfikatorów używa się ceru lub magnezu.ponadto stosowane są: elektron – stop Mg – Al, stopy Ni-Mg, Ni – Si –Mg, Cu – Ni – Mg, Ca – Si –Mg.

W wyniku sferoidyzacji grafit występuje w tych żeliwach w postaci kulistej. Skupienia te mogą występować w osnowie perlitu lub ferrytu.

Żeliwo sferoidalne posiada dobre własności wytrzymałościowe.

Żeliwo modyfikowane – najbardziej rozpowszechniony rodzaj żeliwa przeeznaczony do otrzymywania odlewów wysokojakościowych.

• Do żeliwa dodaje się, tuż przed zalaniem formy, pewną, niewielką, zbliżoną do 1.0% ilość modyfikatorów.

• Najczęściej są to żelelazokrzem, stop żelazokrzemu z wapniem, magnez i inne.

• Modyfikator zwiększa ilości ośrodków krystalizacji, co wpływa na podniesienie drobnoziarnistości żeliwa oraz poprawienie jego właściwości odlewniczych i wytrzymałościowych.

• Najbardziej znanym na świecie żeliwem modyfikowanym jest żeliwo Meehanite

Żeliwo wermikularne – jest to żeliwo szare, w którym morfologia grafitu ma postać pośrednią między grafitem płatkowym a grafitem sferoidalnym.

BADANIA MIKROSKOPOWE ŻELIW NIESTOPOWYCH

Żeliwa są stopami odlewniczymi na osnowie żelaza o zawartości węgla w granicach 2,0-3,8%, szeroko stosowanymi w budowie maszyn. Dużą popularność zdobyły żeliwa szare dzięki takim z a 1 e t o m, jak:

1) łatwość odlewania nawet skomplikowanych kształtów w formach piaskowych lub metalowych (kokilach),

2) możliwość ograniczenia obróbki skrawaniem do minimum oraz do­bra skrawalność,

3) dobra wytrzymałość (zbliżona do stali nisko- lub średniowęglo­wych),

4) duża zdolność tłumienia drgań,

5) dobra odporność na ścieranie,

6) mała rozszerzalność cieplna (cechy 5 i 6 spowodowały masowe sto­sowanie żeliw w przemyśle motoryzacyjnym na cylindry, tłoki, pierście­nie ślizgowe),

7) niski koszt wytwarzania.

Do w a d żeliw należy zaliczyć głównie ich małą ciągliwość i udar­ność oraz małą wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu z wytrzyma­łością na ściskanie.

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA TWORZENIE SIĘ GRAFITU

Skłonność do grafitacji wynika z relacji układów Fe-Fe3C i Fe-grafit. Li­nie równowagi poszczególnych faz z grafitem są bardziej przesunięte ku wyższym temperaturom niż linie równowagi tych faz z cementytem. Ozna­cza to, że w pewnej temperaturze, leżącej między temperaturą eutektoi­dalną i eutektyczną, stop odpowiadający linii SE będzie składał się z aus­tenitu nasyconego węglem w równowadze z cementytem, ale przesycane­go w równowadze z grafitem, a więc zdolność rozpuszczania się grafitu jest mniejsza niż cementytu. Stąd wniosek, że grafit jest fazą bardziej trwałą niż cementyt. Ewidentnym dowodem tego jest możliwość rozkładu cementytu na grafit w wyniku długotrwałego wyżarzania, co nie znaczy, że grafit musi się wydzielać przed cementytem. Do utworzenia zarodka grafitu, jako czystego węgla, wymagane jest większe przemieszczenie ato­mów węgla i żelaza przez dyfuzję niż w przypadku utworzenia zarodka cementytu. Dlatego też, pomimo że energia swobodna mieszaniny grafitu z cieczą, austenitem lub ferrytem jest mniejsza niż mieszaniny cementytu z tymi fazami, grafit zarodkuje z dużą trudnością.

Bezpośrednie wydzielanie grafitu może być ułatwione przez zarodko­wanie heterogeniczne na nierozpuszczonych całkowicie cząstkach faz sta­łych, m.in. grafitu. Liczbę zarodków można zwiększać sztucznie przez wprowadzenie odpowiednich substancji do ciekłego żeliwa. Proces taki nazywamy modyfikacją.

•       pierwiastki zabielające

Mangan i siarka, które przeciwdzia­łając grafityzacji przyczyniają się do zabielenia żeliwa. Zawartość Mn wynosi 0,5-0,7%. Wpływ siarki zależy od ilości manganu i przy małej zawartości Mn jej działanie zabielające jest silniejsze. Siarka zmniejsza też rzadkopłynność żeliwa, a tym samym pogarsza jego własności odlewnicze. Dlatego zawartość siarki w żeliwie jest ograniczona do 0,12%, przy czym w odlewach cienkościennych nie powinno jej być więcej niż 0,08%.

•       pierwiastki grafityzujące

W technicznych stopach żelaza z węglem istotny wpływ na przebieg grafityzacji wywierają domieszki: Si, Mn, S. Do składników sprzyjają­cych grafityzacji należy krzem, który wprowadza się w ilości 0,3-5%.

Fosfor w małym stopniu wpływa na grafityzację, ale jest pożądanym składnikiem żeliw ze względu na polepszanie ich rzadkopłynności oraz zwiększenie twardości i odporności na ścieranie. Jego zawartość zmienia się w granicach 0,2-1% i powinna być większa w odlewach cienkościen­nych. Występuje on w postaci eutektyki fosforowej (steadytu) złożonej z ferrytu, cementytu .i fosforku żelaza (Fe3P), która jest widoczna jako jasny składnik strukturalny o charakterystycznych wklęsłych granicach. Składnik ten jest jednak bardzo kruchy.

Istotnym czynnikiem wpływającym na grafityzację jest też szybkość chłodzenia żeliwa po odlaniu do formy. Przy szybkim chłodzeniu (np. w kokilach) występuje duża skłonność do zabielania, podczas gdy to samo żeliwo odlane do formy piaskowej może być szare.

•       wpływ szybkości chłodzenia

Miarą szybkości chłodzenia jest grubość ścianki odlewu - im więk­sza jest grubość, tym wolniejsze jest studzenie. Na rysunku 3 przed­stawiono zależność struktury żeliwa od zawartości (C+Si) i grubości ścia­nek. Wynika z niego, iż istnieje możliwość regulacji struktury żeliwa w szerokich granicach: od białego do szarego-ferrytycznego przez dobór odpowiedniego składu żeliwa w zależności od grubości odlewu.

Przy szybkim chłodzeniu (np. w kokilach) występuje duża skłonność do zabielania, podczas gdy to samo żeliwo odlane do formy piaskowej może być szare.Szybkość chłodzenia żeliwa po odlaniu do formy jest istotnym czynnikiem wpływającym na grafityzację

RODZAJE GRAFITU I JEGO WPŁYW NA WŁAŚCIWOŚCI

Grafit jako faza niemetaliczna wpływa osłabiająco na metal, gdyż sam ma małą wytrzymałość i twardość. Płatki grafitu wytwarzają w osno­wie metalicznej nieciągłości o ostrych krawędziach, które działają jak karb, a więc zwiększają skłonność do kruchego pękania. Stąd wytrzyma­łość na rozciąganie, udarność i ciągliwość żeliw są znacznie mniejsze niż stali o strukturze analogicznej jak osnowa żeliwa.

Wytrzymałość na ściskanie i twardość, mało zależne od obecności grafitu, są zbliżone do odpowiednich wartości dla stali o takiej samej strukturze, jak osnowy grafitu.

Oczywiście znaczny wpływ na własności żeliwa mają postać i dys­persja grafitu. Im większy jest udział grafitu i im grubsze są płatki, tym niższa jest wytrzymałość i ciągliwość żeliwa. Na dyspersję grafitu można wpływać przez tzw. modyfikację. Polega ona na wprowadzeniu do cie­kłego żeliwa tuż przed odlewaniem (do kadzi lub rynny spustowej) mo­dyfikatora, którym najczęściej jest sproszkowany żelazo-krzem. Operacja taka pozwala na znaczne rozdrobnienie grafitu płatkowego, a tym samym wzrost wytrzymałości do Rm = 450 MPa.

Klasyfikacja grafitu, , uwzględnia trzy c e c h y m o r f o- l o g i c z n e grafitu: wielkość, kształt i rozmieszczenie. Pod względem k s z t a ł t u grafit dzieli się na 9 klas, np. płatkowy (pro­sty, zwichrzony lub iglasty), gwiazdkowy, krętkowy, postrzępiony, zwarty lub kulkowy. Ze względu na w i e 1 k o ś ć rozróżnia się 8 klas, przy czym podstawą do zaliczenia żeliwa do odpowiedniej klasy jest długość lub śred­nica wydzieleń grafitu w μm. Do najniższej klasy zalicza się grafit mniej­szy od 15 μm, a do najwyższej - większy od 1000 μm.

R o z m i e s z c z e n i e grafitu jest podstawą do zaliczenia żeliwa do jednej z siedmiu klas. Rozróżnia się rozmieszczenie równomierne, nie­równomierne, gałązkowe, siatkowe, rozetkowe lub międzydendrytyczne. Szczególnie niekorzystne są wydzielenia grubopłytkowego grafitu nad­eutektycznego, natomiast bardzo drobny grafit eutektyczny o charakte­rze płatkowym i równomiernym rozłożeniu w osnowie jest pożądany.

Niekorzystne jest również nierównomierne rozłożenie grafitu, np, mię­dzydendrytyczne, gdzie grafit jest rozłożony pomiędzy dendrytycznymi ziarnami ferrytu.

Szczególnie pożądanym kształtem grafitu jest grafit kulkowy (sferoi­dalny), który występuje w żeliwach wysoko jakościowych.

Żeliwo białe (nazwa pochodzi od jasnego przełomu), w którym cały węgiel jest związany zawiera w strukturze ledeburyt przemieniony z cementy­tem pierwotnym lub perlitem. Jest ono bardzo twarde, ale zarazem kru­che. Nie można go obrabiać mechanicznie przez skrawanie, lecz jedynie szlifować. Jest stosowane jako półprodukt do wytwarzania żeliwa ciąg­liwego. Niekiedy stosuje się żeliwo zabielone, które na powierzchni ma strukturę ledeburyczną, a wewnątrz jest szare. Taka struktura odlewu sprzyja zwiększeniu jego odporności na ścieranie.

Nazwa żeliwa szarego pochodzi od ciemnego przełomu spowodowa­nego obecnością grafitu. Własności żeliw szarych zależą .nie tylko od struktury osnowy metalicznej, ale również od postaci grafitu. Struktura osnowy może być ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna. Ze wzrostem ilości perlitu w osnowie wzrasta wy­trzymałość i twardość żeliwa, a maleje wydłużenie ( tabl. 1.).

...